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[煮酒论史]人类可能进行时间旅行吗？ |
| 作者:L94607 |
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人类可能进行时间旅行吗？ 时间旅行一直是许多的科幻小说，故事，电影的热门题材，也常被一些科学大师们所介绍。 每个人都会对时间旅行好奇：能回到过去又转回来多好啊！你可以回头重新做一生中的最重要的选择，也可反转你以前最后悔的事，当然也能轻易发大财--比如20年前买套北京的房子，买一万块钱的苹果或亚马逊的股票，今天绝对是千万身价了！ 遗憾的是,时间旅行只能往前走，不能往回走--至少在宏观世界中是这样。时间不能往回走受的是是科学及现实的因果律所限定。一旦因果关系被破坏，一种现实上的孛论往往会出现。比如有人时间旅行到几十年前，在其母亲怀孕他之前把母亲亲手害死，结果造成他就不可能出生于世。既然他不存在，害死母亲的事件也不可能会发生，这样形成了一个因果关系互相矛盾，无法与现实相容了。 时间往前旅行则是可能的，比如宇航员到国际空间站生活，他们相对地球的人高速运动，所以他们的时间变慢了，几个月后他们回到地球，人会年轻了几个毫秒。当然，这点时间差别人体是无法感知的，年轻了几个毫秒也毫无现实的意义。 如果要体验到非常显著和令人向往的时间旅行，就必须有更高速的，甚至接近光速的飞船，目前人类的科技离这还太遥远。 本文打算进行一些理论上的探讨，至于科技和工程上的实现，一万年后大概希望也很小，就算留给一亿年后或更远将来的人类去伤脑筋吧--如果那时人类还没有毁灭的话。嘿嘿！ 根据爱因斯坦的狭义相对论，当两个物体相对高速运动时，对方时间会变慢。假定从地球发射一个宇宙飞船，以接近光速飞向另一个星球--比如先说个小目标：一千光年距离的星球，（至于如几百万光年外的大目标，就留给科幻家们去考虑吧）飞船到达目的地后又以接近光速飞回。地球上的人都知道2000年后飞船会回来的--他们当然活不到那天，只能把记录留给几十代以后的子孙了。飞船上的人则幸运得多，假定他们飞船的速度达到光速的0.9999倍--比光速只慢万分之一，根据洛伦茨变换公式，他们的时间流逝会慢到为地球上时间的1/70.7，也就是地球上过了2000年，飞船上的人只过了28.2年，他们完全有机会看到2000年后地球的模样，也就是他们实现了超长的时间旅行！ 到了这点，喜欢思考的人往往会提出一个严重的质疑：地球或飞船在相互运动中地位是平等的。地球上的人认为自己静止，飞船高速飞行，所以飞飞船上的时间变慢了。可反过来看，飞船上的人也可以认定自己的飞船没有动，是地球在高速地相对自己运动，所以地球上的时间应该变慢。双方的结论是完全相反的！到底谁的时间变慢了？还是都没有变？这就引出著名的双生子佯缪的问题！正式的结论是：一去一回的飞船时间变慢了。用上述的例子，飞船上的人度过28.2年回地球后，发现地球上已过了2000年！ 要完整地解释这个疑问真的不容易，至今对绝大部分人来说仍是个百思不得其解的问题。 本文希望用一种图解的方式来详细分析其中的道理，这是楼主认为最明瞭的手段。 有愿意伤脑筋的人，欢迎继续往下读。如果你有高中以上学历，又希望真正懂爱因斯坦的狭义相对论，你的努力也许会对此知识有一个飞跃的提高啊。呵呵！ 人们在看侦探悬疑小说时，总有一些读者受不了曲折惊险的情节所折磨而偷偷地先翻到书后去找到答案，嘿嘿！对于不想费脑太多的人，本文也在后边加了一个总结讨论部分，让你看到结果。当然如果对结论部分更为疑惑，那就再回头挑战自己吧！ 在讨论之前，先说一下光速不变原理。光是个奇妙的东西，它在真空中的速度是29.9792458万公里/秒。不管发射者或接收者是处于静止或运动中，这个速度都保持不变。光速不变原理并非爱因斯坦发现，而是由美国物理学家Michelson–Morley在1887年发现，但爱因斯坦利用这个结果提出了狭义相对论。 时空图是描述宇宙空间运动的重要工具，为了简化讨论，这里空间只用了一维。 以下是用直角坐标画出的时空图： 图中ot为时间轴，os为空间轴。 oA代表一个运动物体的时间和空间的演变线，或称时空线。其中oT的长度代表A点的时间，oS的长度表示A点与运动出发点之间的距离。所以A的运动速度是oS/oT。我们把平行于os轴的TA线叫同时线（也称等时线），在同时线上不同距离的任何点，体系的时间都相同。把平行于ot轴的SA线叫等距线，在等距线上不同时间的任何点，体系到原点的距离相同。 时空图并不限于直角坐标，一个平行四边形的坐标也可表达为类似的时空图： 这里，ot'为时间轴，os'为空间轴。 类似于直角坐标，oA'为A’的时空线,其中oT'的长度代表A'点的时间，oS'的长度表示A'点到原点的距离。这里平行于os'轴的T'A'线是其同时线，而把平行于ot'轴的S'A'线是等距线。 当描述一束光在在直角坐标系统的运动时，oc为其时空线。这里，我们使用1年为一个时间刻度，1光年为一个空间刻度，双方刻度长度相同，TC/oT=1即代表了光的速度,因而，oC为两轴夹角的分角线，与两轴的交角都是45度。 类似，oc'表示光在平行四边形坐标系统的运动时空线，同样使用1年为一个时间刻度，1光年为一个空间刻度，双方刻度长度相同，T'C'/oT’=1即代表了光的速度，oc’为其坐标两轴的分角线，或它与两轴的交角相等。 以下的讨论使用一个直角坐标代表地球上的时空关系。假定从地球（原点）有一飞船出发飞行，oa为其运动的时空线，随着时间的流逝，它距原地越来越远。在此例子中，我们采用飞船速度为0.5倍的光速，用于较直观地讨论。 如果把飞船看为另一体系，该体系相对于地球体系运动，它的时空坐标可能是下图的平行四边形坐标，oa是其时间轴，os是其空间轴。 这坐标的时间与地球坐标是相同的，代表一种绝对的时间，或遵循所谓的牛顿的时空观。TA仍是它的同时线，或线上任何一点的时间都是oT的长度（时间刻度）。光的时空线对地球和飞船的时空系统都是相同的，oc即光的时空线。 对于这样的飞船时空坐标，一个问题将会显现出来：如果oA是1年（与oT相同），AC将会是0.5光年，明显小于TC的1光年。那样一来，飞船时空坐标的光速将是AC/oA=0.5。显然，光速不变原理在这样的飞船时空坐标中被破坏了！ 为了让飞船时空坐标中光速保持不变，该时空图必须要修改。回到开始时描述的平行四边形坐标系统，oc’只有与两轴的夹角相等时，光速才可保持为1。为了达到两轴的夹角相等，从原点出发的空间轴os'将与原来的os轴分开，使飞船的时空坐标变成下图： 图中oS'/oB=1, 满足了光速不变原理。把os'与os分开是个非常重要的，革命性的变化！ 在这新的飞船时空坐标中，既然它的os'轴与地球坐标的os轴已分开，它们对应的同时线也不再重合或平行。这种现象反映出了同时性的相对性，或不同体系的观察者对同时刻的观念将会分歧。 下面我们采用一个思想实验：假定地球或飞船上的人都有一种超距的观察能力，即各方可以瞬间（不受光传播速度限制）看到对方的时钟刻度，无论双方相距多远，并用“看”代表这种观察。 当地球人在1年的时刻T去“看”飞船上的时钟，根据洛伦茨变换公式，飞船上的时钟在A时刻的读数是0.866年（洛伦茨系数为0.866），这时地球人用的是TA的同时线。 当飞船上的人在自己的时钟为1年的时刻E点“看”地球的时钟，他使用的是飞船时空坐标中与os'平行的T'E同时线，该线与地球的时间轴交点T'的时间是0.866年！ 以上的相互“看”对方的时钟，得出的结论都是对方的时钟变慢了，但是两个结果却并不矛盾，因为两边使用不同的同时线。这现象回答了“到底谁的时间变慢了”的争议。这点是个认知的飞跃！大家可以反复观看和领会同时线的意义，过了这一关，后面的讨论就容易理解得多。 在此也让大家注意到，飞船时空坐标的1年时间刻度比较长，其原因是时间变慢时，必须用更长的尺度代表1年。当飞船的速度越快和越接近光速，1年的刻度会越长。距离的刻度也有类似的性质。 既然在上述讨论中，双方都“看”到对方的时钟变慢了，为何最终飞船上的人能真正享受到因时间流逝较缓慢而比较年轻，而地球上的人却没有变化呢？ 下一步将从旅行的细节来描述整个过程并解答以上的疑问。 如果飞船多年飞行后（比如10年）接近了目的地D处，飞船将计划在D处停下并准备返回。 在到达10年的时刻，地球上的人去“看”飞船上的时钟，相似前文讨论，飞船上的时钟刻度为8.66年。 反过来在飞船一方，乘客已在飞船度过了8.66年，如果飞船仍然以0.5倍的光速前进而尚未开始减速，在乘客“看”地球的时钟时，他用的是与os'平行的T2D的同时线，与地球的时间轴交点T2的读数是7.5年(8.66年x0.866)。此时，双方都认为对方比自己年轻。 在飞船减速到停止的过程中，地球上的人“看”飞船的时间刻度仍是8.66年--因为减速时间较短，没有太大变化。 但是在飞船一方，它一旦减速停止下来，就与地球之间再也没有相对运动。此时，飞船的时空坐标会回归到与地球同一个直角坐标，或者双方都使用T1D的同时线。 戏剧般的变化发生在此刻：乘客“看”到的地球时间刻度不再是减速前“看”到的7.5年而是现在的10年。总之，在飞船减速的很短过程中，乘客“看”到的地球的时钟会从7.5年飞跃到10年，其原因是飞船的同时线由T2D到T1D的扫摆过程。 如果飞船的速度非常高而接近光速，这个跳跃会更大。比如飞船以光速的0.9999倍的速度（洛伦茨系数为0.0141）飞到1000光年外的目的地，当地球人过了1000年时去“看”飞船的时钟，读数为14.1年（1000年x0.0141)。飞船减速前，乘客如果此时去“看”地球的时钟，读数是0.2年（14.1年x0.0141），但一旦飞船减速后停下，再“看”到地球的时钟会从0.2年飞跃到1000年！ 以上例子得出清楚的结论；高速飞船上的人，旅行后到达目的地度过的时间较少，与地球的人相比，比较年轻。 如果用双生子的例子可以有如下描述：双生子的哥哥乘坐飞船离开地球以0.5倍的光速行驶，地面上的弟弟10年后“看”飞船上的哥哥，发现哥哥只变老了8.66岁，比自己年轻了。哥哥在飞行8.66年后接近目的地，减速前“看”弟弟，发现弟弟只老了7.5岁，当然比自己年轻。可是飞船减速停靠在目的地后，哥哥再次“看”弟弟，发现弟弟突然增加了2.5岁，总共变老了10岁，比自己还老了。 当飞船从D处回程的旅行中，过程类似。 飞船加速前，双方共使用T1D的同时线，对应的地球时钟为10年，飞船的为8.66年。 返程光的运动时空线为Dc1，当飞船加速达到0.5的光速时，飞船的时空坐标将为平行四边形，它时间轴为Da1，空间轴兼同时线为Dx1。这时乘客再“看”地球的时钟，发现已从10年跳跃到了12.5年的刻度--同时线由T1D改变到Dx1的结果。飞船再次花了自己时钟的8.66年飞回地球，如果飞行途中继续“看”地球的时钟，可以发现地球的时钟在回程过程中只走了7.5年，比自己的时钟8.66年要慢，但因为出发加速时地球的时钟跳过了2.5年，所以地球的时钟在飞船回程中总共走了10年。整个算下来，飞船一去一回，地球上等了20年，而飞船上总共度过了8.66+8.66=17.32年。 等到飞船回到地球，大家当然可以面对面核对时钟，而无须在路途中必须依靠思想实验的超距“看”来观察对方时钟的进展，时间的差别这时成了眼见的事实。 总结讨论，算细账！ 这里再把双生子佯缪的问题进行归纳，使用的飞船速度为0.5倍光速，其洛伦茨系数为0.866。在乘飞船的哥哥离开地球后，地球上的弟弟在20年后看到他回来。假定两方都有一种超距的观察能力，即各方可以瞬间（不受光传播速度限制）看到对方的时钟刻度，无论双方相距多远，并用“看”代表这种观察。 弟弟方：“看”到哥哥高速离去又高速回来，这家伙就只花了8.66年时间到了目的地，返回又用了8.66年。我这里没有什么动作，白白等了20年，所以现在他比我反而年轻了2.68岁，哼哼！ 哥哥方：我的旅程分三部分，我一直在关心地球上弟弟的情况，所以有详尽记录。三部分的记载如下。 1. 我用了8.66年飞往目的地，一路上“看”到地球上的时钟比我的慢，弟弟似乎越来越比我年轻，因为我的8.66年，他才过了7.5年（8.66x0.866)。 2.我的飞船到了目的地以后还是以0.5倍的光速回飞，是否中间减速停下，或只是绕行转180度，一直以0.5倍光速继续飞，这些细节我就不讲了。总之，我开始回飞时（已是0.5倍的光速）专门“看”了地球的时间，发现地球的时钟从到达前的7.5年突然跳到了12.5年。我知道，我之所以“看”到的地球的时钟不同，是因为我的“同时”的观念发生了变化：前进时我的“同时”的观念与地球的时钟7.5年同时刻，返回时我的“同时”的观念与地球的时钟12.5年同时刻。所以，我这一转头，地球就度过了5年！ 3.我用了8.66年从目的地飞回地球，一路上“看”到地球上的时钟比我的走得慢，我花了8.66年，地球那边时钟才走了7.5年。不过，加起来地球过了20年，我只用了17.32年！ 综上所述，双生子的故事有了统一的结果： 弟弟看到哥哥因为高速行驶，时间变慢，他过了17.32年，自己等了20年，所以哥哥比我年轻2.68岁。 哥哥说，我飞去或飞回分别用了8.66年，飞行时弟弟的时间比我慢，他只度过7.5+7.5年，可是在第二阶段转向时，他的时间跳跃了5年，这是为什么弟弟实际过了20年，所以我比弟弟年轻2.68岁。 不少科普资料把双生子佯缪的解释留给广义相对论，也有的归于加速或减速时人类的生物反应造成飞船上的哥哥变年轻的原因。如果你搞懂了以上描述和讨论，你就知道那些都是因为谈不清楚而随便忽悠人的。嘿嘿！ |
| 读懂了本帖，对狭义相对论的认知会有巨大的飞跃！ |
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对狭义相对论质疑最多的就是所谓的“双生子佯缪”，要理解和搞懂“双生子佯缪”很不容易。 本篇科普文给出一个最明了，最易懂的解释，如果有耐心仔细读下来并弄懂，你将如站在高处，笑看那些挑战狭义相对论的民科们的愚昧思维。 |
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楼主还在等待这场智力马拉松赛的进程，看看那位网友最先到达终点。 如果搞懂了，你将是狭义相对论的懂行人啦！ 欢迎发表评论和参加讨论。 |
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@haokj 2021-06-25 23:54:46 你的图文对不上啊。 ----------------------------- 哈！被你说对了。 “新飞船与地球的时空图”少了一个“B”交点。 对不起，该图是没有更新的旧图，“B”点在“A”点下部的菱形交点上，与“S'"点对称。 |
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@haokj 2021-06-25 23:54:46 你的图文对不上啊。 ----------------------------- 谢谢帮我找到问题！ 能发现图文不对说明你看得仔细，进展可观，加油！ |
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@湘江边上一闲人 2021-06-26 08:27:31 以鄙人粗浅的认识，就是超越光速之后，你能看到过去发生的事情，但无法干预，也无法参与。 也就是说，你穿越光速，能看到祖父外祖父结婚生子，但是无法干涉这件事，更没法去干掉谁，所谓外祖父悖论，就根本不存在。 实现穿越光速之后，对于穿越小说并不能形成支持，只是会让一些胡说八道的论屎党失业而已。 因为超光速改变的只是光线，让你能看到过去，但不是改变历史，它什么都改变不了。 ----------------------------- 本文提到的是时间回转或跳到将来，这些是人类和周围的物体亲历而为而非只进行观察，所以时间回转在现实中因会违反因果关系而不可能实现。 就观察而言，现今天文学就不断观察很久历史前的星系，恒星，甚至137亿年前宇宙大爆炸不久以后的各种现象。所以观察上看到遥远距离外的以前历史不是问题，当然不可能反过来作用于它或改变它。 至于超光速，不仅违反狭义相对论，多年来也曾有许多科学家探索，希望从理论或实验中探索出，但始终无法找到超光速传播的现象。量子纠缠虽可瞬时以超光速相互影响，但之间并不能传播信息，不能算超光速传播的现象。 |
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@一个人的故事r 2021-06-29 08:39:24 看看 ----------------------------- 谢谢阅读和鼓励！欢迎留言和评论。 |
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@一个人的故事r 2021-06-29 08:39:24 看看 ----------------------------- @L94607 2021-06-29 09:52:17 谢谢阅读和鼓励！欢迎留言和评论。 ----------------------------- 有不少专家和百科知识网站认为双生子佯谬的解释要归于广义相对论，特别认定是由于飞船的加速和减速造成了飞船上宇航员的时间延缓。但这点在逻辑上是说不通的。 用本文的例子，以0.5倍光速的飞船前往目的地及归来，地球上度过了20年，飞船上的人过了17.32年，时间延缓为2.68年。如把旅途距离放大10倍，按相同洛伦茨变换公式计算，时间总延缓将为26.8年。 对照这两次旅途，时间相差十倍的匀速运动（0.5倍光速）是两者的唯一区别，它们的加速，减速之过程则是完全相同的，从而两者因加速，减速造成的时间延缓应该是一模一样。但现在两次旅途时间延缓相差达10倍，可见飞船的加速，减速对时间延缓的作用不可能是主要因素，而时间相差十倍的匀速运动过程才是其主要贡献。 |
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@mogule2017 2021-06-30 08:10:22 这是科普贴能达到的最深程度了，一般科技论文是有公式，有图表，这里有图表，不是纯文字了，很多贴是纯文字，肯定说不深，当然上公式和图表，肯定专业，一般人又看不懂了，此贴比较平衡的找到了表达方式。说这么多，其实我还没细看，等空了，细看 ----------------------------- 谢谢mogule2017阅读和留言！ 楼主希望这科普帖能让有兴趣的人看懂，但又避免用公式吓住大家，所以不列任何公式，使用文字描述和图解来表达。 该题材其实是个非常深奥的问题，历史上曾经有许多大科学家为此困扰，所以有曾一个传说称，世界上只有12个半人懂得相对论，嘿嘿！ 现在没那么夸张啦，可是，真正知道双生子佯谬的实质的人确实非常少，不管是许多宣称推翻相对论的各路民科，还是李x丰等不少大学里的教授，都喜欢用道双生子佯谬来质疑狭义相对论。你即使翻开网上的百科解释，许多都是言语不详，或者是忽悠人的。 如果有人耐心甚至反复阅读本贴，等到弄懂后将会有对此知识一下贯通之感觉。记住：反复，耐心。呵呵！ |
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@david2d 2021-06-30 10:05:59 时间往前旅行则是可能的，比如宇航员到国际空间站生活，他们相对地球的人高速运动，所以他们的时间变慢了，几个月后他们回到地球，人会年轻了几个毫秒。当然，这点时间差别人体是无法感知的，年轻了几个毫秒也毫无现实的意义。 =-= 这里又有悖论，宇航员相对地球高速运动，如果相对月球，岂不是静止的。另外，地球相对太阳还高速运动呢，相对的高速运动，怎么会改变时间？ ----------------------------- 宇航员只对会自己的飞船是静止，对地球，月亮，太阳都是相对运动的。如果把几台非常准确的原子钟分别放在地球，飞船，月球和太阳上，原来在地球上精密同步运行的原子钟在相对运动的环境中会变得快慢不一，其差别可根据相互运动的速度通过相对论算出。比如用于导航的GPS或北斗卫星，它们如果用与地球一样的原子钟，导航就会有很大的误差，只有用相对论计算的结果来校正卫星上的原子钟，导航的定位才可能准确。 |
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@mogule2017 2021-06-30 08:10:22 这是科普贴能达到的最深程度了，一般科技论文是有公式，有图表，这里有图表，不是纯文字了，很多贴是纯文字，肯定说不深，当然上公式和图表，肯定专业，一般人又看不懂了，此贴比较平衡的找到了表达方式。说这么多，其实我还没细看，等空了，细看 ----------------------------- @L94607 2021-06-30 08:55:27 谢谢mogule2017阅读和留言！ 楼主希望这科普帖能让有兴趣的人看懂，但又避免用公式吓住大家，所以不列任何公式，使用文字描述和图解来表达。 该题材其实是个非常深奥的问题，历史上曾经有许多大科学家为此困扰，所以有曾一个传说称，世界上只有12个半人懂得相对论，嘿嘿！ 现在没那么夸张啦，可是，真正知道双生子佯谬的实质的人确实非常少，不管是许多宣称推翻相对论的各路民科，还是李x丰等不少大学里的教授...... ----------------------------- 刚才回复文字乱了点，现重发如下： 其实文中所需公式只有一个，即洛伦茨变换系数，计算飞船的时间因为高速运行而变慢的程度。 t'=t(1-v2/c2)1/2 t'---飞船的时间 t----地球的时间 v----飞船的速度 c----光速 因为此窗口显示数学公式有困难，以上v2为v的平方，c2为c的平方，( )1/2为开平方。 比如v=0.5c，计算结果是（1-1/4)的开平方，即0.866. |
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@L94607 2021-06-24 08:37:04 读懂了本帖，对狭义相对论的认知会有巨大的飞跃！ ----------------------------- 再回头说说光速不变原理。光的传播速度一般人也许会比拟日常地面上刮风的速度，一个人在风中跑步的体验是这样的，如果如果逆风跑，人感觉的风速会变大，或者是原来的风速加上跑步的速度。如果顺风跑，感觉的风速会变小，或者是原来的风速减去跑步的速度。 在19世纪时，几乎所有的科学家都认为光速是可变的。在1887年时，美国两位抱如此想法的年轻人Michelson和Morley做了实验，他们把地球绕太阳转，每秒30公里的速度加上（往前发射光）或减掉（往后发射光）或不加减（往侧面发射光）的光速比较，看看会怎样？结果发现光速居然完全没有任何变化！经过以后许多科学家的不同实验都证实了：真空中光速不变，不管光源是匀速运动或静止，接收方是匀速运动或静止，测出的真空中的光速都一样！ 光速不变现在听起来轻轻松松，可在19世纪末可是非同小可。物理学家把当时的两件新发现看成是动摇物理学大厦的暴风雨前的两朵乌云，其中一朵是所谓的黑体辐射公式，它后来催生了量子力学，这朵则导致了爱因斯坦的狭义相对论。 |
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@L94607 2021-06-24 08:37:04 读懂了本帖，对狭义相对论的认知会有巨大的飞跃！ ----------------------------- @L94607 2021-07-01 22:29:18 再回头说说光速不变原理。光的传播速度一般人也许会比拟日常地面上刮风的速度，一个人在风中跑步的体验是这样的，如果如果逆风跑，人感觉的风速会变大，或者是原来的风速加上跑步的速度。如果顺风跑，感觉的风速会变小，或者是原来的风速减去跑步的速度。 在19世纪时，几乎所有的科学家都认为光速是可变的。在1887年时，美国两位抱如此想法的年轻人Michelson和Morley做了实验，他们把地球绕太阳转，每秒30公里的速度加...... ----------------------------- 如果读者看了前面对时空图的介绍，了解时空图的意义，就可以继续看看对下面两个最重要的时空图的对照和讨论，从它们的的演变看看光速不变原理在中间起的的作用。 图1为按传统牛顿绝对时间建立的时空图，其中直角坐标ot及os为地球时空坐标，oa及os为飞船时空坐标，光的时空线oc为双方共同。 图2则为按狭义相对论建立的时空图，直角坐标ot及os仍为地球时空坐标，但飞船时空坐标则变为oa及os'。 两图的唯一和重要的区别是os轴与os'轴不重合。 os因为和光的时空线oc的交角与oa轴不同，使光速不变原理该系统里无法达到。 os'和光的时空线oc的交角与oa轴相同，所以光速不变原理在系统里成立。 用式子表达就是： 图1的AC/oA<1，光速不变不满足。 图2的BC/oB=1,光速不变成立。 |
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以下讨论与前面正文中的内容虽重复，但较为详尽细致，也许可帮助理解。 正文 同时性的相对性。 同时刻的概念在日常生活中是常用的。某两件事同时刻发生，可以是在眼前的，也可以是眼前与地球另一端的，甚至遥远的宇宙中别的星球上的，这些都非常容易理解。 但是有一点人们一般没有考虑到的，就是这个日常判断的“同时”，往往仅仅对我们地球相对静止的体系完全有效，一旦涉及到与地球有相对运动的其他体系，情况会发生变化。本来地球上认定同时刻发生的两件事，在其他运动体系中可能不再是同时了。特别是当另一体系与地球相对运动速度非常高，甚至接近光速时，双方的同时刻的认知能会相差巨大。 下面将用同时线来图解体系中的同时关系。一个体系的同时线即代表某时间在不同距离的的轨迹，不管远近，线上的任何点的时间都相同。 学过数学和物理的坐标平面的人，都会熟悉坐标平面上某个点的纵坐标和横坐标刻度的寻找方法。即从该点画一条与纵坐标的平行的线，它与横坐标相交点就是横坐标的刻度；画一条与横坐标的平行的线，它与纵坐标相交点就是纵坐标的刻度。这方法对于直角坐标系或平行四边形坐标系都是相同的。 对于时空图的坐标平面，与空间轴平行的线就是它的同时线。比如，在地球时空坐标ot及os中，任何与os的平行线，如TA。在飞船时空坐标oa及os'中，与os'的平行线，如T'E,等等（见下图）。同时线在时空图中是个非常重要的概念。 图中，TA是地球时空坐标ot及os的一段同时线（与os平行），对应地球时间刻度是T，oa代表运动的飞船时空线。根据狭义相对论，相对于地球运动的飞船时间会变慢，对于0.5倍光速的飞船例子，变慢的洛伦兹系数为0.866。如果T点刻度是1年，oa上的A点对应的飞船时间是0.866年。 T'E是飞船时空坐标oa及os'的一段同时线（与os'平行），如果E点对应的飞船时间刻度是1年，同样根据狭义相对论，相对于飞船运动的地球时间会变慢，变慢的洛伦兹系数也是0.866，因而T'在地球上对应的时间是0.866年。 显然，地球的同时观念遵循TA线，飞船的同时判断遵循T'E线，由于两者间相互高速运动，双方都会认定对方时间变慢。但是，因为各自按本身的同时线判断两边的时刻，这种双方的认定并不互相矛盾。这就是所谓的同时性的相对性。 理解到了这一步，对爱因斯坦的狭义相对论的实质就算真正入了门啦！ |
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以下讨论以另一方式归纳双生子佯谬的讨论，角度和前文稍有不同，但可帮助大家加强领会。 正文。 在上述同时性的相对性讨论中，运动的双方都按自己的同时线判断对方的时间，并且都认为对方的时间变慢了。为何最终飞船上的人能真正享受到因时间流逝较缓慢而比较年轻，而地球上的人的时间却按正常流逝，没有变慢呢？ 如果比较两方在旅途的全过程，就可以找出它们之间的不同。 在地球这方，除了等待，什么都没有发生。重要的是，地球的时空坐标始终没有改变，所以计时过程没有中断或跳跃。在飞船旅行的全过程，飞船与地球都在相对高速运动，所以地球人根据狭义相对论推定：飞船上的时间会按洛伦兹系数规律变慢。 反过来看，作为相互运动的另一方，飞船上的人也可以认定自己不动，而是地球离自己而去又归来，这是运动的相对性原理。按狭义相对论，是否也可以断定，地球的时间变慢了呢？ 这个推断只有部分是正确的，如果只考虑飞船往返运动的过程，地球的时间确实变慢了，可是飞船还有一个转向180度的过程。 转向过程发生了什么，以下是详尽分析。 飞船旅途分三部分：1.高速离开地球前往目标，2.到达目标后转向180度，3.高速飞回地球并到达。 对于第1和第3部分，地球都相对飞船高速运动，所以飞船上的人在这两段区间里都可以根据狭义相对论推定：地球的时间按洛伦兹系数规律变慢，没有问题。 关键的部分发生在旅途的第二段。 飞船因为转向，会涉及到两个不同的时空坐标并使用两条不同的同时线。 图中，坐标oa及os'是飞船前进的时空坐标，高速接近目的地D的同时线为T2D。 坐标oa1及ox1是飞船返回的时空坐标，高速离开目的地D的同时线为T3D。 比较飞船转向前与转向后的状况，可发现它的同时线由T2D变到T3D。飞船本身时间并没有前进多少，但是由于同时线的变化，飞船上观察者认定的地球时间发生了跃变，由T2跳跃到T3！ 所以对飞船的观察者而言，地球上的时间有三段： 1.飞船前往目的地的过程，地球时间度过o到T2。 2.飞船转向过程，地球时间度过（跳跃）T2到T3。 3.飞船从目的地返回地球的过程，地球时间度过T3到E。 把这三部分时间加起来，飞船上观察者认定地球上度过的时间总量为o到E，与地球上静止的观察者一模一样了。 综上所述，不管是地球上的观察者或是飞船上观察者，得到的结论都是一样的：比起地球上的时间，飞船上的时间变慢了。 拿上文的0.5倍光速的飞船例子，可以有如下时间的比较。 地球方： 地球自飞船出发后，等待了20年，直到飞船归来。因为飞船一直高速飞去飞回，地球人根据狭义相对论推定：飞船上的时间会按洛伦兹系数0.866的规律变慢。也就是20x0.866=17.32年。 飞船方： 1.飞船用了8.66年到达目的地，因为地球高速离开飞船，飞船人根据狭义相对论推定：地球上的时间会按洛伦兹系数0.866的规律变慢。所以，地球的时间度过了8.66x0.866=7.5年。 2.飞船转向，因为飞船的同时线变动，转向前的同时线对应地球的7.5年，转向后的同时线对应地球的12.5年。这造成飞船时间并没有什么前进，而对应的地球时间飞跃了5年。 3.飞船用了8.66年返回到地球，因为地球高速接近飞船，飞船人根据狭义相对论推定：地球上的时间会按洛伦兹系数0.866的规律变慢。所以，地球的时间度过了8.66x0.866=7.5年。 如果把以上三部分综合起来，飞船度过时间是8.66+8.66=17.32年，地球的时间按飞船的观察是7.5+5+7.5=20年。 综上所述，地球和飞船双方的结论是完全一致的：地球度过了20年，飞船度过了17.32年。 所谓的双生子佯谬在这里得到了完整的，全面的解释。 |
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最近，在西班牙小伙哈维尔声称自己是时间穿越者，从 2021 年穿越到了 2027 年，一下子被网上炒热了。 我说，遗憾的是，小哥忘了带上笔和电脑，如果他能在2027年打开电脑，看看股市行情，特别是写下一些2-3年，或者5-6年后高涨几倍，几十倍的股票名字，回来后不必自己投资，只要一个名字卖几百万，几千万，他就发大财啦！呵呵。 可惜我这里费了死力，只能限于理论探讨，要真正搞几年的时间旅行还得靠接近光速的飞船，人类现在，或可见将来绝对无法达到，我看传说外星人也不会达得到。嘿嘿！ 看来还是网上炒作轻松多了！ |
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@梦中雾竹 2021-07-06 16:33:32 楼主解释中存在的时间突然跳跃了几年，这种事情在现实中是不可能存在的。 ----------------------------- 时间的跳跃并非地球上的人所经历，也不是真实的现象，而只是飞船上的人作为一种对其他系统的时间观测及认定的现象。这中间的关键是理解“同时”的概念，搞懂“同时性的相对性”。 比如，飞船在背离地球以0.5倍光速运动，在到达目的地附近（未减速），飞船上的人的要遵循同时线（T2D)，他的“同时”与地球上的7.5年相同。 但是一旦飞船转向180度，并以0.5倍光速返回，飞船上的人的要遵循新的同时线（T3D），该同时线指向地球上的12.5年，使飞船的人认定与地球的12.5年“同时”。 此转向过程导致同时线变动，飞船上的人“同时”观念更改，对应于地球上的时间就跳跃了。 |
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本贴虽说是个科普帖，但讨论的问题非常深奥并具有挑战性。 对于解释所谓的的双生子佯谬问题，是爱因斯坦狭义相对论中的核心和关键。绝大部分人对此往往是百思不得其解，该疑问不光在许多科普文中，在百科知识网页里，甚至不少教科书里都没有给出真正的清晰描述和解答。 本贴从介绍光速不变原理入手，以时空图为工具，导出为满足光速不变原理的运动体系的时空坐标，从中领会到狭义相对论的“同时性的相对性”。中间也介绍了同时线，它的概念及在运动时空中的重要意义。 本贴看似花了不少笔墨反复讨论地球与飞船两边的时间比较，其实就是回答一个最基本的疑问：狭义相对论认为相互运动的双方都认为（或观测到）对方的时间流逝变慢，为何一个宇航飞船高速离开地球再飞回，飞船上的双生子哥哥会比弟弟年轻，而不是相反？质疑的理由是，飞船也可以认定自己不动，是地球离开飞船后又返回，双方对相互运动的观念是可以等同的。 本贴经过深入讨论后发现和认定，飞船在飞行过程里，乘客确实认定地球时间变慢了。但是，与地球不一样的是，飞船经历了一个转向的过程而地球没有，转向的过程导致飞船的同时线发生了变化，特别是对地球的时刻的认定（或观测）发生了跳跃。 综合比较，整个旅途下来，飞船对地球的总时间认定（或观测），是把飞船飞行中及转向过程所认定（或观测）的地球时间相加，其综合结果与地球上度过的时间完全相同，而飞船自己度过的时间也与地球上的观测一致。因而，不管是地球上，或是飞船中，都一致认定地球上度过时间较长，而飞船上度过时间较短。 所以弄懂了本贴，即可对爱因斯坦的狭义相对论有真正的，实质的理解。 |
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