天文在线■时间膨胀：为什么重力会减缓时间的流动？爱因斯坦|时间膨胀|运动|科普

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1905年瑞士的春天，在伯尔尼著名的时钟塔不远处，沉默寡言的爱因斯坦上了一辆回家的电车。爱因斯坦，仅仅是一个文员，一旦他有时间思考宇宙的真相，就开始了他的工作。正是爱因斯坦绝对的天才优势，当我们嘲笑自己的想象只是一个白日梦时，我们才思考了他的想法。他的想法实验之一就是通过电车彻底改变了物理学。

图解:克拉姆街（杂货街）时钟塔，伯尔尼，瑞士

爱因斯坦的窘境

有两个非常伟大的物理学家深深的影响了爱因斯坦。第一个是他的偶像：发现了运动定律的牛顿；第二个是麦克斯韦，他提出了电磁定律。然而，这两个理论是相互矛盾的。麦克斯韦假设电磁波的速度是固定的，比如灯光，它运行的速度极高，高达每秒186000米。他声称这是宇宙中最根本的事实。

天文在线■时间膨胀：为什么重力会减缓时间的流动？。

图解：没有任何一个物体可以运行的比光速快。

鉴于牛顿的运动定律认为速度是相对的。相对于一个静止的观察者，一个以40英里每小时运动的车的时速是40英里；相对于一个时速为20英里的车，这辆车的时速是20英里；而相对于一个时速为60英里的车，这辆车是以相反方向运行的。对于光速来说，相对速度的概念和麦克斯韦的直观的基础论点是相冲突的。这让爱因斯坦陷入了极其痛苦的窘境。

这种矛盾让爱因斯坦宣布了物理学史上具有突破性的答案之一，也是让人难以置信的答案—一个兼顾双方的观点，然而看起来并不是很让人震惊。为了理解这个冲突，以及究竟为什么在这种情况下时间会走的如此慢，考虑到另一个精妙的思维实验—爱因斯坦最好的实验之一。爱因斯坦想象了这样一幅画面，一个人站在车站月台，在他的两边都分别有一个灯柱。让他站在右侧一边，在同一时间去观察从两边灯柱照射出的灯光。

然而，当另一个人坐在火车上，以灯光的速度穿过它，情况就变得古怪起来。根据运动法则，距离火车更近的灯柱照射的光会先照射到这个人，而距离火车更远的灯柱照射的光则较慢。从他们的角度来看，两个人对于光速的测量都是不同的。但是根据麦克斯韦所说的，我们认为光速肯定是持续的，不管观察者的运动，但这又怎么可能呢？——一个所谓的“基础的”宇宙中的事实。

为了弥补这个差异，爱因斯坦认为，时间是主动变慢，就像光速保持持续！对于火车上的人来说，时间走得更慢；而对于月台上的人则更快。爱因斯坦把这种现象叫做时间膨胀。

重力时间膨胀

爱因斯坦把他的理论叫做狭义相对论。这个理论比较特殊，因为它解决了恒定速度的问题。为了真正地解决这个问题，即物体具体在哪个时间点加速或减速，他需要调查，当涉及到加速时，他的理论的影响。概括和解释所有的普遍现象的工作导致他对于时间和重力之间的关系；他把这个新发现的重力理论成为“狭义相对论” 。

牛顿认为时间的流动就像一把箭；它只朝着前方前进。爱因斯坦猜想：时间的变化和速度是相反的。并且对于它的可塑性，像空间一样，时间也有它本身的维度。实际上，爱因斯坦声称：这两个其实是一种事物，且是相同的事物，一个四维结构空间，宇宙中的事件在这个空间是不被折叠的。他把这种现象叫做丝状结构。当爱因斯坦公布了他的成果—一个如此惊人的成果，他收到了预期相同的回应——怀疑。

根据广义相对论，事物的延伸或压缩了丝状结构，就像物体不是没有理由的被拉向地球的中心，而是被在它们之上的扭曲空间向下推。模拟一个斜坡，空间时间的曲率加速了物体向下移动，尽管加速度不是在所有点都是相同的。重力是非常强的力量，且一直朝向地球表面，曲率在这个位置比在外围区域更强烈一些。

图解：即使技术上的不完善，但是对于一个大质量物体在跳跳床运动，就是一个解释这个空间时间的扭曲的非常简单的例子。

如果重力随着我们的下降而增加，一个自由落体运动的物体在表球表面B的下落速度要比高海拔的地方A的更快。根据狭义相对论，时间在B点走的比在A点慢，因为B点的物体的速度更快。

什么是时间？

那么什么时间是最精确的时间呢？嗯，也许都不是。爱因斯坦推测没有绝对的时间。时间是相对取决于动力系统的，是一个参考框架。在你的时间框架里流动的就是正确的时间。如果运动准则对于所有的观察者都是一样的，不管他们的运动，那么时间一定会变慢，比如你运动的越快，那么你的表相对其他的表就会走得慢。这就是安妮?海瑟薇在《星际穿越》中对马修?麦康纳说的，当他们到达一个遥远的星球之后，她说“天上一时，地上七年。 ”

图解：什么是时间？

再一次参考爱因斯坦的电车。是慢钟的出现限制了我们原始神经得到的建立吗？或者说时间真的变慢了吗？那么时间变慢意味着什么呢？时间的变化莫测迫使我们不得不发问—时间本身是什么呢？这不仅仅是一个令人讨厌的哲学本科生在派对上相互探讨的问题。时间的概念从远古时期就已经困惑着即使是出色的哲学家和物理学家。

时间的初级功能是使事件按年代顺序编排。然而，直到最近400年，人们对时间的猜测都是：恒星是绕着我们运动的，而不是我们绕着恒星。尽管它的推论背景并不准确， “时间”依然表现的出色。它照常运转，因为时间日复一日，年复一年的按照我们所预测的那样重复，当你的某些事情像你所预测的那样重复的话，你就有了一个守时机制。

图解：天文钟-古老的种

伽利略运用大自然循环的本性来计算运动。他称，没有任何时间的参考，描述运动几乎是不可能的。然而，这个时间不是绝对的。即使牛顿已经定义了时间的定律，他运用时间的概念，以及借用了两个行走并不是绝对的一步步走的钟，它们有着独立的时间，然而它们彼此的时间不相同。同步性就是我们建立高度尖端和准确的原子钟的原因。

天文在线■时间膨胀：为什么重力会减缓时间的流动？。我们在同步性的基础上构建了时间的概念，两个事件的同步性或者重要的巧合，比如说一辆火车的到达以及当火车到站时，钟的指针的独一无二的重合。爱因斯坦的理论认为这些巧合一定是被一个火车是如何运动所影响的。如果分别在站台和火车上的两个观察者在同步性上不能达成一致，那么他们在时间是如何流逝的也不能达成一致！

在可预测情况下，运动的影响的理想让我们思考到最简单的计时机制。想象一个计时装置是由一个光子和两面镜子组成的，一个光子在两个距离不远的镜子之间来回反射。假设光子反射一次，时间过去一秒。现在，那两个钟分别放在高处的A点和地球表面的B点（之前讨论过），分别记录当一个自由落体运动的物体下落经过他们时的时间。自由落体运动的物体采用它自己的参考系，以一个相近的钟来测量时间。它们究竟测量到了什么呢？

观察一个光子在两面镜子之间的反射就像观察一个网球在运动的火车之间的反弹。即使对于火车里的人来说，球是垂直地反弹；但对于在火车外面精致的观察者来说，这个球是成三角形反弹的。

当光子第一次像网球一样被释放之后，把装置向前移动，看上去它被反射之前移动了更长的距离。我们对于时间的测量因此而失真了！此外，装置移动的越快，光子需要反射的时间就越久，从而延伸了一秒的持续时间！这就是为什么时间的流动在B点时比在A点慢（回忆一下原因，因为重力，物体在B点下落的速度比在A点的快）。这个可编程的附图生动的描述了光子的三角形运动，以及因此导致的时间的流逝。