科学|时间膨胀：为什么重力能够使时间变慢？
1905年的春天 ， 沉默寡言的爱因斯坦坐上了回家的电车 ， 车站距离Zytglogge钟楼几英里远 。 当时的爱因斯坦只是一名专利技术员 ， 他尽快完成了工作 ， 利用闲暇时间探寻宇宙的真相 。 当人们嘲笑那些天马行空的想象是白日梦时 ， 爱因斯坦 ， 这位十足的天才提出了他的理论 ， 我们将他的构思奉为思想实验 。 就是在那辆电车上 ， 他的思想实验彻底革新了近代物理学 。
看着眼前巨大的钟塔渐渐远去 ， 爱因斯坦突发奇想 ， 如果电车以秒速186000英里的速度行驶 ， 钟楼的指针将会呈现完全静止的状态 。 同时他也清楚钟楼的指针将继续转动——时间也正常流逝 。 但对于爱因斯坦来说 ， 时间变慢了 。 因此 ， 他意识到行驶速度越快 ， 时间流动速度就会越慢 ， 但这是真的吗？
爱因斯坦面对的困境
爱因斯坦深受两大物理学家的影响 。 一位是爱因斯坦的偶像 ， 发现了运动定律的牛顿；另一位是提出电磁理论麦克斯韦 。 但是这两种定理相互对立 。 麦克斯韦认为电磁波的速度是恒定的 ， 就像光——速度高达186000英里/秒,他认为这是宇宙的基本事实 。
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图解：没有什么物体的速度能够超越光速 。 （图片来自：Pexels）
牛顿的定理则指出速度总是相对的 。 一辆汽车的行驶速度是40英里/时 ， 这是相对于静止的观察者的速度 ， 但相对于同向行驶 ， 速度为20英里/时的车辆来说 ， 其速度只有20英里/时 ， 若是相对行驶 ， 其速度就是60英里/时 。 当应用于光速时 ， 速度相对论与麦克斯韦的基础事实相悖 ， 这给爱因斯坦出了个大难题 。
然而 ， 这一大难题促使爱因斯坦提出了物理学史上难以置信却又最具创新性的理论——兼顾这两大定律的理论 ， 这听上去似乎也没多么令人震惊 。 为了探究这两者之间的矛盾 ， 解释时间为什么变慢 ， 爱因斯坦想到了一个精妙绝伦的思想实验 ， 这绝对排在最佳思想实验行列中 。 他设想一个人站在车站站台 ， 左右两边射下两道闪电 ， 他恰好站在两道闪电中间 ， 以他的视角可以观察到两束光线同时射下 。
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但是 ， 在火车上的人却看到了不同的一幕 。 火车正以光速行驶经过站台 ， 根据牛顿运动定律 ， 火车上的人会先看到距离火车更近的光线射下 ， 然后才看到较远的光线 。 然而这两个人测量出的光速却不同 。 根据麦克斯韦的理论 ， 忽略观察者的运动 ， 光速是恒定的 ， 那么在所谓的宇宙基本事实的前提下 ， 这样的结果怎么可能会发生？
爱因斯坦对这一差异进行了补充说明 ， 因为时间本身变慢了 ， 所以光速还是保持不变 。 相对于站台上的人 ， 火车上的人经过他时所经历的时间更慢一些 。 爱因斯坦称之为时间膨胀 。
重力时间膨胀
爱因斯坦将这一原理命名为狭义相对论 ， 称之为狭义是因为它主要解决速度恒定的问题 。 但在现实世界中 ， 物体总是在加速或者减速 ， 爱因斯坦需要考虑在加速的情况下 ， 这一原理是否受用 。 为了概括并解释普遍现象 ， 爱因斯坦发现了时间与重力之间的关系 ， 并将这一新发现的重力原理命名为广义相对论 。
牛顿认为时间如离了弦的箭 ， 勇往直前 。 爱因斯坦假设时间与速度成反比 。 时间也像空间一样 ， 具有延展性 ， 所以时间也可以看成一种维度 。 事实上 ， 爱因斯坦认为时间与空间不能分开来探讨 ， 他们是一回事 ， 是共同组成四维空间的一片织网 ， 能够无限延伸 ， 宇宙事件在这片织网上不断展开 。 爱因斯坦将其称为时空 。 他将这项不可思议的研究成果发表后得到了意料之中的反馈——无稽之谈 。
根据广义相对论 ， 物质可以拉伸或者压缩时空 ， 因此物体并不是被某种神秘的力量拉向地球 ， 而是因为弯曲的空间 。 这里可以参照一下斜坡 ， 时空的曲度使物体加速下落 ， 即便是各个点的速率不同 。 越趋于地表 ， 重力就越大 ， 时空的曲度也要比侧面边缘大 。
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时空因大质量物质而弯曲 ， 我们将其类比蹦床 。 虽然严格意义上来讲 ， 这样的类比不够科学严谨 ， 但这是最简单的解释方式 。
【科学|时间膨胀：为什么重力能够使时间变慢？】越接近地表 ， 时空的曲度就越大 ， 引力也会越强 ， 那么一个做自由落体运动的物体在地表某一点B的速度 ， 要比在高空某一点A的速度快 。 根据狭义相对论 ， 下落的速度越快 ， 时间流逝的就越慢 ， 所以经过点B的时间相对于经过点A的时间要慢一些 。
时间是什么呢？
什么又是准确的时间呢？答案是 ， 没有准确的时间 。 爱因斯坦认为没有绝对的时间,时间是相对的 ， 而且取决于它所受支配的力量体系 ， 即参考系 。 在你自己的参考框架里所流淌的时间叫做本征时间 。 假设运动定律对所有观察者是相同的 ， 忽略其运动 ， 那么时间就会变慢 ， 此时你的运动速度越快 ， 相对于其他观察者你的时间会流逝得更慢 。 电影《星际穿越》中就有这样一幕 ， 主人公降落在一个遥远的星球上后 ， 安妮·海瑟薇对马修·麦康纳说：“这里的一小时相当于地球上的七年 。 ”
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时间是什么？
让我们再次回想一下爱因斯坦在电车上进行的思想实验 。 是慢时钟的出现限制了我们的思维发展 ， 还是时间真的会变慢？如果时间会变慢 ， 这又意味着什么？时间的变化无常让我们不禁发问——时间 ， 它究竟是什么？这一问题不仅使哲学系学生无比懊恼 ， 在兄弟会派对上频频讨论 ， 从远古时期起 ， 时间这一概念就困扰着自然哲学家和物理学家 。
时间最初的功能是按顺序记录事件 。 400年前 ， 人们认为恒星围绕地球转 ， 而不是地球围绕恒星转 ， 并以此来规定时间,尽管这个结论不正确 ， “时间”依旧安然前进着 。 日复一日 ， 四季轮回 ， 当这一切如你所推断的那样重复着 ， 交替着 ， 你便有了计时机制 。
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远古时钟（图片来自：TeePhoto/Shutterstock）
伽利略通过大自然周而复始的规律来计算运动规律 ， 他认为不参考时间是无法描述运动的 。 然而这里的时间也不是绝对的 。 甚至是牛顿在构思他的运动定律时 ， 也对时间的概念做了补充说明 ， 两个时钟的转动不是绝对的、独立的 ， 而是同步进行的 。 我们建造高度精密与精确的原子钟正是为了同步时间 。
我们将时间的概念建立在同步性的基础上 ， 又或者说是两个事件之间重要的巧合性 。 比如说 ， 火车到站和钟表指针排成直线这两件事同时发生 。 爱因斯坦认为这样的巧合一定是在观察者运动的影响下发生的 ， 如果站台上和火车里的观察者不能在同步性上达成一致 ， 那他们在时间流动的的问题上也不能达成一致 。
让我们通过一个最简单的计时装置来理解运动对时间的影响 。 一粒光子在两面镜子之间来回反射 ， 反射一次记为一秒 ， 这样就组成了一个计时器 。 现在将两个这样的计时器一个放在点A一个放在点B（上文中已提到） ， 并测量自由下落的物体经过这两个计时器时所用的时间 。 但是问题来了 ， 两个计时器的计时机制相同 ， 而自由下落的物体有自己的参考系 ， 这能测量到什么呢？
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其实 ， 这一过程看到的情形与球在行驶中的火车上弹跳的情形类似 。 火车上的人看到的球始终是垂直弹跳的 ， 但地面上静止的观察者则看到球沿斜线方向弹跳 。 释放出的光子就像火车上的球 ， 这时移动一下计时器 ， 就能看到光子的反射路程变长了 ， 所以测量出的时间也失真了 。 另外 ， 计时器的移动速度越快 ， 光子的反射路程也越长 ， 同时一秒钟也被拉长了 ， 这也就解释了为什么物体经过B点比经过A点的时间流逝的慢（回忆上文 ， 由于重力原因 ， 物体在B点的速度比A点大） 。 下面这个动图生动地展现了光子的斜线路径以及时间是如何被拉长的的 。
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当然 ， 这一差异极其微小 ， 要计算山顶时间与地面时间的差异就需要用纳秒了 。 但无论怎样 ， 爱因斯坦的这项发现无异于学术革新 。 重力确实会影响时间的流逝 ， 这也说明了物体的质量越大 ， 周围区域的时间流动越慢 。
鉴于通篇围绕光速变慢这一问题 ， 不得不说 ， 选择光子钟进行实验证明再好不过了 。
时间膨胀会影响任何钟表 ， 无论是以电磁现象为制作原理的简易的钟 ， 还是兼有电磁学与力学支持的复杂的钟 ， 都无一例外,这一点有广义相对论做有力支持 。 实际上 ， 连生物过程都受到了时间膨胀的影响 ， 是的 ， 你应该猜到了······你的脸要比你的脚稍稍老一点 。
作者: Akash Peshin
FY: 夏月星夕
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