什么是時(shí)間膨脹？時(shí)間膨脹與光速和引力的關(guān)系是什么？

什么是時(shí)間膨脹?

時(shí)間膨脹是指一個(gè)看似奇怪的事實(shí)，即不同觀察者的時(shí)間以不同的速率流逝，這取決于他們?cè)谝?chǎng)中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或位置。

這是它的工作原理。時(shí)間是相對(duì)的。盡管這聽起來違反直覺，但它是愛因斯坦相對(duì)論的結(jié)果。在日常生活中，我們習(xí)慣于速度是相對(duì)的——因此，例如，相對(duì)于靜止觀察者以 60 英里/小時(shí)(97 公里/小時(shí))的速度行駛的汽車將被視為以 120 英里/小時(shí)(193 公里/小時(shí))的速度移動(dòng)以相同速度向相反方向行駛的司機(jī)。

同樣的現(xiàn)象也會(huì)影響時(shí)間。根據(jù)觀察者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或他們?cè)谝?chǎng)中的位置，該觀察者將體驗(yàn)到與另一個(gè)觀察者不同的時(shí)間流逝率。這種被稱為時(shí)間膨脹的效應(yīng)只有在特定條件下才能被檢測(cè)到，盡管在低水平上，我們一直受到它的影響。讓我們仔細(xì)看看時(shí)間膨脹理論及其一些后果，包括 GPS 誤差和著名的孿生悖論。

時(shí)間膨脹是一個(gè)觀察者與另一個(gè)觀察者相比所感知的時(shí)間變慢，這取決于他們?cè)谝?chǎng)中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或位置。這是愛因斯坦相對(duì)論的結(jié)果，其中時(shí)間并不像看起來那樣絕對(duì);對(duì)于不同參照系的觀察者，它通過的速度是不同的。

時(shí)間膨脹與光速

相對(duì)論有兩個(gè)部分——狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論，并且兩者都具有時(shí)間膨脹特征。所有觀察者的光速都相同的原理在狹義相對(duì)論中起著關(guān)鍵作用。根據(jù)波士頓大學(xué)物理學(xué)家安德魯·達(dá)菲( Andrew Duffy) 的說法，其后果之一是，相對(duì)于彼此以恒定速度移動(dòng)的兩個(gè)觀察者測(cè)量了相同事件之間的不同時(shí)間。但是這種效果只有在速度接近光速時(shí)才會(huì)變得明顯，通常用c 來表示。

想象一艘宇宙飛船以 95% 的光速前往 9.5 光年外的行星。地球上的靜止觀察者將測(cè)量旅程時(shí)間為距離除以速度，或 9.5/0.95 = 10 年。另一方面，宇宙飛船的船員會(huì)經(jīng)歷時(shí)間膨脹，因此認(rèn)為這次旅行只需要 3.12 年。換句話說，在離開地球和到達(dá)目的地之間，機(jī)組人員的年齡只有三年多一點(diǎn)，而人們回到地球已經(jīng)過去了 10 年地球。

盡管像這樣的真正驚人的情況需要非常高的速度，但對(duì)于任何類型的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，時(shí)間膨脹都會(huì)發(fā)生在更適度的范圍內(nèi)。例如，根據(jù)“如何建造時(shí)間機(jī)器”(St. Martin's Griffin，2013 年)，每周穿越大西洋的普通飛行者在 40 年后比非旅行者經(jīng)歷的時(shí)間減少約千分之一秒。這本書還解釋了在現(xiàn)實(shí)世界中如何發(fā)生更令人印象深刻的時(shí)間膨脹壯舉所需的那種速度，至少在短壽命的基本粒子的情況下稱為介子。它們是宇宙射線撞擊地球高層大氣時(shí)產(chǎn)生的，它們可以以接近光速的速度傳播。μ子非常不穩(wěn)定，它們不應(yīng)該持續(xù)足夠長的時(shí)間到達(dá)地球表面，但它們中的許多都做到了。那是因?yàn)闀r(shí)間膨脹可以將它們的壽命延長五倍。

時(shí)間膨脹和引力

在他提出狹義相對(duì)論十年后，愛因斯坦擴(kuò)展了他的理論，將引力效應(yīng)包括在廣義相對(duì)論中。但是這個(gè)理論中的時(shí)間膨脹不取決于旅行的速度，而是取決于當(dāng)?shù)匾?chǎng)的強(qiáng)度。我們已經(jīng)生活在地球表面的中等引力場(chǎng)中，所以事實(shí)證明，我們會(huì)在不知不覺中受到時(shí)間膨脹的影響。此外，當(dāng)我們?cè)诘厍虼艌?chǎng)中上下移動(dòng)時(shí)，效果的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化。

高層建筑頂層的重力比地面稍弱，因此時(shí)間膨脹效應(yīng)在更高處也更弱。距離地球表面越遠(yuǎn)，時(shí)間過得越快。正如西德克薩斯農(nóng)工大學(xué)物理學(xué)教授克里斯托弗·貝爾德 (Christopher Baird) 在他的網(wǎng)站上所描述的那樣，盡管這種影響太小而無法用人類感官檢測(cè)到，但可以使用極其精確的時(shí)鐘來測(cè)量不同高度之間的時(shí)差。

為了看到一個(gè)更戲劇性的引力時(shí)間膨脹的例子，我們需要找到一個(gè)引力比地球強(qiáng)得多的地方，比如黑洞周圍的街區(qū)。美國宇航局已經(jīng)考慮過如果將時(shí)鐘放入距離與太陽質(zhì)量相同的黑洞6 英里(10 公里)的軌道上會(huì)發(fā)

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