為什麼引力會使時間變慢?

2020-12-19 科學探索家

這個問題如果真得仔細答來,那得需要從廣義相對論的開頭開始講起,而在此之前還需要了解狹義相對論,畢竟引力這個東西,在相對論理論被解釋為時空彎曲,而時空則是相對論最核心的概念。

想要通過一篇問答來仔細講準確廣義相對論是不現實的,因此我們可以先從狹義相對論開始入手,畢竟狹義相對論中也是存在鍾慢(也就是時間變慢)效應的,而狹義相對論只是廣義相對論在時空平直時的特殊形式,因此了解狹義相對論十分有必要。

狹義相對論的兩大基本前提:狹義相對性原理和光速不變原理。

狹義相對性原理告訴我們物理規律在任意慣性系內都具有相同形式,而光速不變原理則說明,真空光速在任意慣性系內都相同。有了這兩條,就能推導出一個被稱為「洛倫茲變換」的東西,注意一點,洛倫茲變換成立的前提是兩個慣性系之間,這也就是為什麼很多人認為狹義相對論只能處理慣性系之間問題的原因。

但實際上,隨著相對論的進一步發展,科學們認為這樣的方式過於狹隘,所以將狹義相對論與廣義相對論的界限定為了時空是否彎曲,也就是說:即便是非慣性系問題,只要背景時空是平直的,那麼仍舊屬於狹義相對論的範疇,而上段所講的洛倫茲變換也不能代表狹義相對論的全部核心(洛倫茲變換隻是一個更加普遍形式的特例)

但我們仍以洛倫茲變換為例,在此種情況下,我們可以推導出一個被稱為動鍾變慢的效應,也就是相對於一位靜止觀測者來說(所謂靜止觀測者,也就是指觀測者位於慣性系某點不動),移動的物體,比如一個時鐘,它的時間過得要比觀測者自身要慢。

比如一個經常被提到的例子,雙胞胎兄弟,哥哥去太空飛行,弟弟在地球等待,試問哥哥回來後,二人年齡相差幾何?

答案是哥哥比弟弟年輕,因為哥哥哥哥存在加速度(指四維加速度),不是慣性系,所以慣性系平權就談不上了,因此不會出現弟弟看哥哥,認為哥哥時間慢,哥哥要比自己年輕;而哥哥看弟弟,認為弟弟運動,時間慢,弟弟比自己年輕的矛盾結論了。

開頭第二段也說了,狹義相對論是廣義相對論的特殊形式,所以廣義相對論中也應存在一個鍾慢效應,而廣義相對論又是一個描述引力的理論,因此自然和時空彎曲分割不開,所以有了一個被稱為引力鍾慢的效應。

這個效應簡單來說,就是時空彎曲得越厲害,該處的時間就流逝得越慢。比如在地球表面,不同高度處,因為引力勢不同,導致各處時間流逝的也不一致,典型的例子就是GPS衛星的相對論時間修正。

最後補充一點:時空彎曲(引力)必然伴隨潮汐效應,而加速度等效出來的引力場,不存在潮汐效應,因此我們不能說加速物體的時間變慢是引力所致,也就是雙生子問題不存在使用廣義相對論的前提。

相關焦點

  • 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?
    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)。
  • 廣義相對論中引力是如何使時間變慢的?
    按照狹義相對論,運動的尺會縮短,運動的鐘會變慢,這是狹義相對論的「尺縮鍾慢」效應、尺縮鍾慢的意思是,當你測量一個距離,比如地球到月球的距離,你靜止的時候測量到的地月距離是l,當你駕著飛船從地球高速飛向月球時測量到的距離就會小於l,並且速度越大測量到的地月距離就越短。狹義相對論有一條基本原理叫相對性原理,意思是物理規律在所有的慣性系中具有相同的表現形式。
  • 憑什麼引力越大時間越慢
    今天我們來聊一下,關於廣義相對論的一個結論,就是「引力越大時間越慢」,科幻作品裡經常出現,比如《星際穿越》裡的「穿越」,靠的就是這個,那麼這個結論對於普通人該怎麼理解呢,為什麼引力越大時間就會越慢,當然真正在廣義相對論單期。
  • 為什麼越靠近金字塔,時間就會變慢?
    據說,金字塔的重量非常巨大,對周圍的任何事物都有萬有引力,因此只要是接近金字塔的人,其時間就會變慢,不過這種效應出現的概率非常小,只有十億分之一秒亮級。這種效應也剛好印證了愛因斯坦廣義相對論中的一個結論:引力使時間變慢。實際上,當人走近一座大山的時候,時間變慢的效果會更加顯著。因為從理論上來說,實心的大山應該比空心的金字塔重,所以引力就相對要更大點。
  • 根據相對論,運動的人時間會變慢,那靜止的人有可能時間變快嗎?
    我們將題主的問題分為兩部分:①運動的人,其時間會變慢。②靜止的人,如何改變自己的時間?先來看第一部分,所謂運動的人時間變慢,這是基於狹義相對論的結果,但這個時間變慢在不同參考系內的看法是不一致的,因為關鍵在於相對速度是多少,下式就是狹義相對論關於時間膨脹的公式其中v指的是相對速度,也就是說當觀察者立於地面不動時,面前跑過去一個人,那麼觀察者就能得出跑步者時間變慢的結論
  • 「廣義相對論」和「狹義相對論」都說時間會變慢,有啥區別?
    如果此時你去看火車裡的人會發現「時間變慢」了,但是火車人看自己發現時間未變化,針對這個看似矛盾的問題其實並不矛盾,如果你看了我之前寫的狹義相對論文章就應該知道,狹義相對論造成的「時間變慢」這個效應本身也是「相對的」,效應本身相對意味著換參考系,「效應」就會發生變化。
  • 為什麼引力會導致時間和空間「彎曲」?聽完科學家的解釋恍然大悟
    雖然引力很常見,但引力是四大基本力中最弱的一種,特別是對於我們的日常生活來說,引力無處不在,但是除了地球的重力以外,我們幾乎感受不到其他引力的存在。其實,任何物質之間都會產生引力,引力的大小和物體的質量有關,質量越大的物體產生的引力就越強,因為日常生活中大部分物質的引力都達不到要求,產生的引力基本都是可以忽略的,那麼引力的本質到底是什麼,引力又是怎麼讓空間和時間產生「彎曲」的呢?
  • 時間膨脹效應,為什麼是時間變慢了而不是鍾變慢了?
    你錯誤的理解了測量時間膨脹效應的鐘是我們日常生活中用到的鐘了,此鍾非彼鍾,你理解意義上的鐘是人工製造的鐘,而測量時間膨脹效應的鐘是天然的時間量度,所以不會出現你題目描述的問題。自從時間膨脹效應被提出,相關的實驗驗證一直在進行,上世紀四十年代,科學家在測量μ子的數量時,發現快速移動中的μ子的衰變速度要比它們相對我們靜止時的衰變速度要慢10倍,這表明速度的快慢確實影響了它的衰變快慢,半衰期是一定的,那麼肯定是時間變慢了,所以實驗驗證也是沒有問題的。
  • 「時鐘變慢效應」讓時間變成了相對的,絕對時間也不存在了
    時間變成了相對的,絕對時間也不存在了,這個結論不但會讓牛頓大為惱怒,恐怕現在也還有很多人覺得難以接受,但是這種現象確實存在。舉例說明:如果一個人乘飛機順著地球自轉的方向往東飛,它的速度等於飛機的速度,加上地球自轉的速度,相比往西的飛機往東的速度更快,所經歷的時間就比那個往西飛的更短,這個結果已經被精準的鐘表測量所證明,也證明了狹義相對論的正確性,換一種形象通俗的說法,這叫「時鐘變慢」。
  • 理論上,有哪些辦法可以讓時間變慢?
    時間對於每一個人來說都是彌足珍貴,過了一天就沒有一天。一秒鐘、一分鐘、一小時……這些是我們日常生活中所說的時間。然而在物理學上,時間是一個基本的物理量,是物質的運動、變化的持續性和順序性的表現。時間概念包含時刻和時段兩個概念。在國際單位制中,時間的基本單位是秒,符號s,除此之外,生活中用到的時間單位還有:毫秒ms、分min、小時h、日(天)d、月m、年y等。
  • 3分鐘理解狹義相對論,為什麼光速下時間會膨脹(時間變慢),空間會壓縮
    從我的角度評價《量子物理史話》這本書先出,比較火,但其實沒有《時間的形狀》寫的好。受不了《量子物理史話》作者動不動就暗流湧動,驚天霹靂,烏雲密布,開天闢地之類的長篇空虛形容,有些關鍵點沒有講明白,邏輯沒有一氣呵成。
  • 【物理前沿】理解時間的快與慢:時間膨脹、時間靜止、超光速
    時間膨脹效應時間膨脹效應,就是時間會變慢,也就是時間的流逝速度會變慢,而我們的時鐘記錄的,其實並不是時間的流逝速度,而是在時間流逝速度下——累積經歷了多少時間。於是,時間變慢,最終就會讓積累的時間變少——也就是時鐘的記錄信息減少,即鍾慢效應。而在狹義與廣義相對論中,已經明確給出了,可以產生時間膨脹效應的原因和路徑,並且都經過了實驗的證實。
  • 為什麼人在宇宙會失重?引力沒有消失,難道重力也會被偷走?
    但為什麼太空人一去到宇宙,就會失重了呢?有些人可能覺得飛機的高度還不足以體現引力的衰退,認為到了只要到達幾十千米的高空引力就會迅速地消退。甚至還有人覺得,既然地球的大氣層那麼厚重,就一定是大氣層隔斷了地球的引力。或者有人認為,引力的衰頹並不是線性的,而是到了某一界限,引力就會突然消失。其實這些想法都不是正確的。
  • 為什麼一個物體接近光速時,時間會變慢?
    讓我們先退一步,回顧一個事實:根據狹義相對論的假設,一個物體接近光速(或者任何速度)的時候,時間都不會變慢。一種專門設計用來量化時間的儀器在運動或相對於觀測者運動時(速度接近光速),時鐘會走得更慢(稍後會詳細介紹)。愛因斯坦所描述的鐘的類型是一個特定的性質和設計的一個「光子鍾」。
  • 時鐘雖然不會變慢,但時間真的會變慢,鍾慢效應與狹義相對論
    時間與空間皆不能捨棄對方而獨立存在,如果你深讀相對論,就會對此有所認識。時間不僅是真實存在的,而且時間還會因運動而變慢。這裡所說的時間變慢可能與你對時間的理解並不相同。很多人認為時鐘則代表時間,時間變慢就是說時鐘會變慢,其實二者並不相同。
  • 時間變慢了?感覺自己被騙了!
    時間變慢了?感覺自己被騙了!很多時候,我們對於一些常識都是不屑一顧的,但是真要拿出其中的一個常識,讓你講出來龍去脈,還沒有多少人會正確的講出來,今天就帶大家了解一些生活中的常識,也讓我們在以後的生活中,能夠更加多的了解自己生活的這個星球。
  • 一個轉變的狀態,時間變慢了,變長了
    一個轉變的狀態,時間變慢了,變長了。 這是一個特別的狀態,開始的時候,是感覺周圍的一切都變慢了。 後來,發現時間也變慢了,一段同樣的時間裡,仿佛過了很久。 今天,又有了另一種感覺,類似於涅槃,但那是什麼,也不確定。 這其中發生了什麼,可以靈魂環看一下,為什麼會這樣?
  • 為什麼說,引力是人類科學史上的「疑難雜症」?
    那麼到了19世紀中期,很明顯,人們發現天王星的軌道與牛頓理論的預測不一致,尤其是與克卜勒第二定律的表述不一致:行星在其軌道上運行應該在相同的時間掃過相同的區域。但天王星就違背的這條規律,在一段時間內天王星的移動速度比預測的要快(掃過的面積太大),再後來又比預測的要慢(掃過的面積太少)。
  • 一天為什麼是24小時?古代一天是多長?地球自轉為什麼越來越慢?
    但是,一天究竟為什麼是24小時呢?為什麼不能多一秒或者少一秒呢?這就要從人類的計時方法說起了。從人類開始擁有智慧起,就開始根據每天太陽東升西落的自然現象來計算時間,習慣了日升而作、日落而息的生活方式。而太陽東升西落的原因是地球自轉,所以人們理解的一天就等於地球自轉一圈的時間。
  • 為什麼旅行者1號會越飛越慢?
    旅行者1號現在降速純屬正常現象,因為它的運動仍然會受到太陽引力的影響,並不是什麼神秘的力量迫使它降速。旅行者1號離開地球已逾四十年,它的飛行速度已經超過太陽系逃逸速度,所以它無需動力僅依靠慣性就能衝出太陽系。但即便這樣,旅行者1號受到太陽引力的作用是不會中斷的。