時間根本就不是物質,更沒有質量,為什麼引力會讓時間變慢呢?

2020-12-19 魅力科學君

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一般來講,我們都會認為「穿越」這種事情只是存在於人們的幻想中,然而實際情況卻可能不是這樣,因為根據愛因斯坦的《廣義相對論》中的相關理論可以推測出,原來我們經常在時間中「穿越」,只是我們察覺不到。那麼這是咋回事呢?下面我們就來講一下。

愛因斯坦在《廣義相對論》中指出,引力可以讓時間變慢,對於同一個物體而言,它所受到的引力越大,其感受到的時間就越慢,對此他還給出以下公式用以計算(公式中的t代表被觀測者的時間,T代表靜止參考系的時間,G代表引力常數,M代表產生引力場的天體質量,r代表引力場中心與被觀測者之間的距離,c代表光在真空中的速度)。

我們將相關數據代入上述公式,就可以計算出,對於同一個物體而言,它在地球上的高度每上升1米,其時間就會快大約1.09 x 10^-16秒。據此可以看到,當我們在上下樓的過程中,其實就是在時間中「穿越」,比如說當我們上到12樓(高度約為44米)的時候,我們感受到的時間就會比在1樓的時間快了大約1000萬億分之4.8秒。

很明顯,雖然我們經常在時間中「穿越」,但是如此細微的時間偏差我們是察覺不到的。

上述的現象被稱為「引力時間膨脹」,這似乎有點令人困惑,因為在我們的印象中,引力應該只對有質量的物質起作用,而時間卻是一種抽象的概念,也就是說時間根本就不是物質,更沒有質量,那麼問題就來了,為什麼引力會讓時間變慢呢?要回答這個問題,我們需要先來了解一下《廣義相對論》中的核心理論——「等效原理」。

什麼是「等效原理」?

先來看一個簡單的例子,相信大家都乘坐過電梯,也都知道在電梯啟動的時候,我們會明顯地感受到一個與電梯運動方向相反的力(比如說電梯向上,這個力就向下),其實這個力就是一種慣性的體現,我們可以將其稱為「慣性力」。

現在想像一下,在失重的狀態下,一個人呆在一部與外界完全隔離的飛行器裡,當這個飛行器以與地球的引力加速度相等的加速度向上運動時,這個人會有什麼樣的感受?答案是顯而易見的,那就是他會覺得自己受到了與地球引力一模一樣的力。

這就意味著,一個引力場與一個具有適當加速度的參考系是不可分辨的,換句話來講就是它們是等價的。這就是上面提到的「等效原理」的簡單解釋,根據這個原理可以得出,我們可以用一個具有適當加速度的參考系來描述一個引力場。

那麼這與時間又有什麼關係呢?

其實這來自於「光速不變原理」,即:不管在哪個參考系中觀察,光在真空中的速度都是不變的,簡單來說就是,對於一束在真空中傳播的光而言,無論你是迎著它運動,還是背對著它運動,在你的眼中,這束光的速度都是299792458米/秒。

為什麼會這樣呢?很遺憾,答案是不知道。我們可以認為,這就像「正電荷和負電荷會互相吸引」一樣是一種客觀現象,目前我們並不知道其中的原理。

在《狹義相對論》中,「光速不變原理」被作為公設,愛因斯坦認為,既然光速不變,那麼時間和空間就會改變,並據此推測出一個物體的速度越快,其感受到的時間就越慢,這被稱為「鍾慢效應」。

而根據「等效原理」,引力場是等價於具有加速度的參考系,由此可以推測出,既然速度可以讓時間變慢,那麼引力場也就可以讓時間變慢,並且對於一個引力場而言,它的引力越強,其等價的參考系的加速度就越快,時間也就變得更慢。

需要指出的是,人們早已在實踐中發現,「引力時間膨脹」這種現象確實是存在的,比如說運行在大約2萬公裡高度上的全球定位系統(GPS),就必須要考慮到由「引力時間膨脹」造成的時間偏差,如果不這樣做的話,該系統就根本無法進行準確地定位。

原來我們經常在時間中「穿越」,只是我們察覺不到,不得不說,宇宙真的很奇妙,你覺得呢?

好了,今天我們就先講到這裡,歡迎大家關注我們,我們下次再見。

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