本文參加百家號#科學了不起#系列徵文賽。
地球的運動,以及地球的引力,改變了我們與宇宙中其他物體相比所經歷的時間。如果我們偶爾將我們的時鐘與在黑洞或中子星周圍的緊密軌道上運行的時鐘相比,我們會發現它們的運行速度比我們的慢,如果我們將它們與漂浮在茫茫宇宙深處的時鐘相比,我們會發現這些時鐘運行速度比我們的略快。
然而,沒有「真正」的時間去體驗,你永遠不會經歷錯誤的時間。時間是相對的,這意味著我們可以比較任何兩件事的時間是如何流逝的,但沒有終極的「宇宙時鐘」可比。你的表,無論你在哪裡或你是如何移動的,的手錶都將每秒顯示1秒。也就是說,你永遠不會看到自己處於快進或慢進的狀態。從這個意義上說,我們不得不正確地體驗時間。我們每個人都可以宣稱我們的時鐘是唯一真正的時鐘,而其他人的是錯誤的。
簡單地在一條直線上快速移動並不足以讓你的時鐘與其他時鐘相比客觀地慢下來。如果兩個人擦肩而過,他們都會看到對方經歷的時間更少,奇怪的是,這不是一個悖論,他們都是「對的」。客觀地說,確實有兩種效應(以一種宇宙中所有人都能認同的方式)導致時鐘運行變慢:一種叫做「孿生悖論」的現象,另一種叫做引力。
在時空中,一段旅程的「長度」(時空間隔)是由作此旅程的時鐘來量度的。事實證明(這並不明顯,但可以理解)最短的旅程是最迂迴的旅程。如果你在新年的時候看了雪花降落,並且堅持了一年,直到下一次雪花降落,那麼你就在這兩個事件之間完成了一次相當直接的時空之旅。
這條路是直的,所以很長,你的時鐘會顯示得更多。相反,如果你在那一年裡儘可能快地繞著太陽系轉,然後再回來過下一個新年,那麼你在時空中的道路肯定不是筆直的。這個全位置路徑很短,您的時鐘將讀取更少的數據。「兩點之間最長的時空距離是一條直線」聽起來可能很瘋狂,但它確實有效。
地球繞軸自轉,圍繞太陽公轉,與太陽系的其他部分以及我們所能看到的所有恆星一樣,也圍繞著銀河系公轉。每一個都是迴路,而不是直線,地球每做一個這樣的迴路它就會落後於任何沒有這樣做的時鐘一點點。
地球在赤道處自轉的速度約為0.5公裡/秒,我們繞太陽公轉的速度約為30公裡/秒,而整個太陽系圍繞銀河系的速度約為200公裡/秒。居住在朗伊爾城(靠近極地)的人和居住在厄瓜多(靠近赤道)的人在時間上的差異大約是萬億分之一,這給了那些自豪的挪威人每25000年多一秒鐘的時間。
這些速度中最大的速度,即我們圍繞星系的運動,產生的時間膨脹相當於450萬分之一。這相當於每兩個月多出一秒,或者每隔一個銀河年多出半個太陽年。
第二個需要考慮的影響是由重力引起的時空彎曲。較低的事物比較高的事物經歷的時間更少。這可以通過測量光在重力場中垂直傳播時的頻率變化來解釋。有理由說,如果你離某物無限遠,那麼你就在它的引力影響之外,你的時鐘應該「正確」運行。
如果你從「無限遠」墜落到某個大物體的表面,你就會以那個大物體的「逃逸速度」移動。如果你試圖讓一顆行星以比逃逸速度慢的速度移動,那麼最終你會被拉回。
要從地面逃離地球,你需要11千米/秒。更困難的是逃離太陽(從地球軌道),這需要42公裡/秒。要離開我們的星系,你需要500到600千米/秒的速度。這一次,來自銀河系引力的膨脹產生了這裡提到的最大影響。
地球的自轉和太陽的公轉確實會影響你所經歷的時間,但不會影響很多。由於我們是銀河系的一員,我們每周所經歷的時間比在銀河系深處閒逛的人要少1秒鐘。其中大部分直接來自我們星系的引力效應,不是來自我們星球的運動。