科学|时间膨胀：为什么重力会减慢时间流？
1905年春天 ， 在回家的路上 ， 沉默寡言的爱因斯坦在离奇格罗格塔几英里远的地方登上电车 。 奇格罗格塔是俯瞰伯尔尼的豪华钟塔 。 爱因斯坦只是一个专利办事员 ， 他一有空就开始思考宇宙的真理 。 对于这样一个天才 ， 虽然我们嘲笑自己的幻想为白日梦 ， 但是我们会敬佩地称他的为思想实验 。 他在那辆有轨电车上想到的一个思想实验彻底改变了现代物理学 。
爱因斯坦曾想过 ， 如果电车以光速行驶 ， 会发生什么 。 看到宏伟的钟楼 ， 他意识到如果他以每秒186,000英里的速度行驶 ， 那么已经庄重地移动过的钟表指针现在似乎会完全冻结 。 同时 ， 爱因斯坦知道 ， 回到钟楼时 ， 指针将正常旋转—时间将正常运行 。 但是 ， 对于爱因斯坦来说 ， 时间变慢了 。 他得出结论 ， 穿越空间的速度越快 ， 穿越时间的速度就越慢 。 这怎么可能？
爱因斯坦的困境
爱因斯坦深受两位伟大物理学家著作的影响 。 首先 ， 是他的偶像牛顿发现的运动定律 ， 第二 ， 是麦克斯韦制定的电磁定律 。 但是 ， 这两种理论是矛盾的 。 麦克斯韦（Maxwell）推测 ， 诸如光之类的电磁波的速度是固定的 ， 每秒高达186,000英里 。 他声称这是关于宇宙的基本事实 。
本文插图
牛顿定律暗示速度总是相对的 。 相对于静止的观察者而言 ， 以40mph行驶的汽车的速度为40 mph ， 而相对于以20 mph行驶的相邻汽车的速度仅为20 mph 。 或者 ， 以60英里/小时的速度向同一辆汽车驶向相反的方向 。 当将相对速度的概念应用于光速时 ， 它与麦克斯韦的表面基本事实不符 。 这给爱因斯坦带来了严重的困境 。
这种矛盾使爱因斯坦提出了令人难以置信的想法 ， 但这也是物理学史上最具突破性的主张之一 。 要了解矛盾并因此弄清时间为什么变慢 ， 我们来看看另一个独创性的思维实验 ， 它是爱因斯坦最好的实验之一 。 他想像一个人站在车站月台上 ， 两边的两个闪电击中了他 。 站在这两个点中间的那个人同时观察到两侧的光束 。
本文插图
但是 ， 当火车上的一个同伴以光速驶过该场景时 ， 看到该场景时 ， 事情就变得异常了 。 根然而 ， 当一个人在火车上以光速通过时 ， 看到这一场景 ， 事情就变得特别了 。
本文插图
根据运动定律 ， 离火车较近的闪电发出的光会比离火车较远的闪电发出的光更早到达那个人 。 这两个人对光速的测量在大小上是不同的 。 但这怎么可能呢?根据麦克斯韦的理论 ， 光速必须是恒定的 ， 与观察者的运动无关——这就是所谓的宇宙“基本”事实 。
本文插图
为了弥补这一差异 ， 爱因斯坦提出时间本身会减慢 ， 这样光速就会保持不变!与站台上那个人的时间相比 ， 火车上那个人的时间过得慢一些 。 他称这个为时间膨胀 。
引力时间膨胀
爱因斯坦称他的理论为狭义相对论 。 它很特殊 ， 因为它处理的是恒速 。 在现实世界中 ， 物体总是在加速和减速 ， 为了使它与现实世界一致 ， 他需要研究他的理论在涉及加速时的影响 。 对所有普遍现象进行概括和解释的努力使他发现了时间和引力之间的关系;他称这个新发现的引力理论为“广义相对论” 。
牛顿相信时间的流动就像一支箭：它只朝着一个方向坚定地前进 。 在有轨电车上的爱因斯坦假设时间与速度成反比 。 由于它的可塑性 ， 它应该像空间一样 ， 有自己的尺度 。 事实上 ， 爱因斯坦声称这两者是同一件东西 ， 是一种可伸缩的四维结构 ， 宇宙事件就是在这种结构上展开的 。 他称之为时空的结构 。 当爱因斯坦发表他的研究成果时 ， 人们对他的反应和人们对这一非凡成果发表时的反应是一样的——怀疑 。
根据广义相对论 ， 物质会拉伸和收缩时空的结构 ， 从而使物体不会被神秘地拉向地球中心 ， 而是被其上方弯曲的空间向下推 。 为了模拟一个斜坡 ， 时空的曲率加速了向下移动的物体 ， 尽管加速度的速率在所有点上并不相同 。 引力朝向地球表面的力量更大 ， 在地球表面 ， 曲率比其边缘更强烈 。
本文插图
【科学|时间膨胀：为什么重力会减慢时间流？】
即使在技术上不准确 ， 但蹦床类比是解释时空扭曲的最简单方法 。
如果重力随着我们向下移动而增加 ， 则自由下落的物体在表面上某个点（例如B）的下落要比在更高的高度（例如A）上的下落更快 。 对于自由下落的物体 ， 根据狭义相对论 ， B处的时间必须比A处的时间慢一些 ， 因为物体的速度在B处更快 。
时间是什么？
那么正确的时间是什么时候?嗯 ， 一个也没有 。 爱因斯坦假设没有绝对的时间 。 时间是相对的 ， 它取决于一个人所受的力系 ， 也就是通常所说的参照系 。 在你自己的框架中运行的时间被称为固有时间 。 如果运动定律对所有观察者来说都是一样的 ， 不管他们的运动是什么 ， 那么时间一定会变慢 ， 这样你运动得越快 ， 你的时钟相对于另一个时钟运行得就越慢 。 这就是安妮·海瑟薇在《星际穿越》中对马修·麦康纳所提到的:“在这个星球上的一个小时相当于地球上的7年 。 ”
本文插图
在电车上再次参考爱因斯坦的思想 。 慢时钟的出现是我们原始神经系统的控制因素 ， 还是时间真的变慢了？时间的放缓甚至意味着什么？时间的反复无常迫使我们去问-时间本身是什么？这不仅仅是一个讨厌的哲学系学生在兄弟聚会上互相问的问题 。 自上古以来 ， 时间的概念就困扰着自然哲学家和物理学家 。
时间的主要功能是按时间顺序记录事件 。 然而 ， 直到最近400年 ， 人们决定时间的假设是恒星绕着我们转 ， 而不是地球绕着它们转 。 尽管推理的依据不正确 ， “时间”仍然表现良好 。 它之所以有效是因为日子和季节可以预测地重复 ， 当你有一个可以预测地重复的东西时 ， 你就有了一个计时机制 。
本文插图
伽利略用这种机构的递归性质来计算运动 。 如果不考虑时间 ， 描述运动是不可能的 。 然而 ， 这一次并不是绝对的 。 即使牛顿提出了运动定律 ， 他也引入了一个时间概念 ， 即两个时钟不是以绝对的、独立的时间同步滴答 ， 而是相互配合 。 同步是我们制造如此精密和精确的原子钟的原因 。
时间的概念基于两个事件的同时性 ， 同时性或关键性的巧合 ， 例如火车的到来以及火车刚到时钟针的恰巧重合 。 爱因斯坦的理论指出 ， 这些巧合必须受到一个人的举动的影响 。 如果平台上的两个观察者和火车不能就同时发生的事情达成共识 ， 那么他们就无法就时间流逝达成共识 。
为了理解运动对可预测性的影响 ， 让我们考虑最简单的计时机制 。 想象一个由光子组成的计时装置 ， 它在两个有限距离的镜子之间来回反射 。 假设光子每次反射都经过1秒 。 现在 ， 把两个这样的时钟挂在地球表面上方的A点和B点上(前面讨论过) ， 让它们测量自由落体经过它们时的时间 。 自由落体用一个类似的时钟在自己的参考系中测量经过的时间 。 他们测量的什么?
本文插图
观察两个运动镜之间的光子反射类似于观察网球在运动的火车上弹跳 。 即使球是火车中某人垂直弹跳的 ， 对于外面的静止观察者来说 ， 球也是三角形弹跳的 。
当仪器向前移动时 ， 光子在第一次被释放后 ， 就像球一样 ， 在被反射后似乎移动了更长的距离 。 因此 ， 我们对时间的测量已经扭曲了!此外 ， 仪器移动得越快 ， 光子反射的时间就越长 ， 从而延长了一秒的持续时间!这就是为什么时间的流点B是低于点(记得,由于重力,物体下降速度比A点B点) 。
本文插图
本文插图
本文插图
本文插图
当然 ， 差别是微乎其微的 。 山顶上的时钟和地球表面上的时钟所测量的时间之差是纳秒 。 尽管如此 ， 爱因斯坦的发现仍然具有开创性 。 重力确实阻碍了时间的流动 ， 这意味着物体质量越大 ， 它周围的时间流逝得越慢 。
话虽如此 ， 鉴于整篇文章都讨论了光的减速 ， 所以选择光钟来证明这一点似乎很方便 。 但是 ， 时间扩展会影响每个时钟 ， 无论它依赖于最简单的电磁现象还是电磁与牛顿运动定律的复杂组合 。 广义相对论的普遍性确保了这一点 。 实际上 ， 甚至生物学过程以及因此的时间都在扩大 。 是的……你的头比脚稍微老一点！
推荐阅读
- 盐酥烧饼这做法，皮酥里软吃着香，不醒面照样层层酥脆，省时间
- 地球|科学家发现证据，表明地球内部或存在大型海洋，这可能吗？
- 液态金属|脑科学日报：开发用于活体神经记录的可拉伸液态金属电极阵列
- 恐龙|恐龙也怕患癌症？新发现，科学家在恐龙化石中检测出恶性肿瘤痕迹
- 昆虫|近亿年前的虫珀里藏只“小怪兽”！中国科学家发现昆虫新物种
- 火星|火星的水资源没有流失！科学家苦寻多年，原来藏在火星地下
- 早餐时间，西芹糯米烧麦，不一样的吃法
- 昆虫|恐龙时代“臭大姐”竟然长巨角？！我国科学家发现亿年前昆虫新物种
- 酿酒|用真全粮酿酒机器做酒，为什么发酵时间越长口感越好？
- 早餐不吃馒头，教你如此做花卷，不用时间发面，松软香甜，真好吃