時間膨脹：為什麼重力會減慢時間流？

2020-09-06 天文在線

1905年春天，在回家的路上，沉默寡言的愛因斯坦在離奇格羅格塔幾英裡遠的地方登上電車。奇格羅格塔是俯瞰伯爾尼的豪華鐘塔。愛因斯坦只是一個專利辦事員，他一有空就開始思考宇宙的真理。對於這樣一個天才，雖然我們嘲笑自己的幻想為白日夢，但是我們會敬佩地稱他的為思想實驗。他在那輛有軌電車上想到的一個思想實驗徹底改變了現代物理學。

愛因斯坦曾想過，如果電車以光速行駛，會發生什麼。看到宏偉的鐘樓，他意識到如果他以每秒186,000英裡的速度行駛，那麼已經莊重地移動過的鐘表指針現在似乎會完全凍結。同時，愛因斯坦知道，回到鐘樓時，指針將正常旋轉—時間將正常運行。但是，對於愛因斯坦來說，時間變慢了。他得出結論，穿越空間的速度越快，穿越時間的速度就越慢。這怎麼可能？

愛因斯坦的困境

愛因斯坦深受兩位偉大物理學家著作的影響。首先，是他的偶像牛頓發現的運動定律，第二，是麥克斯韋制定的電磁定律。但是，這兩種理論是矛盾的。麥克斯韋（Maxwell）推測，諸如光之類的電磁波的速度是固定的，每秒高達186,000英裡。他聲稱這是關於宇宙的基本事實。

沒有什麼比光速快。（照片來源：Pexels）

牛頓定律暗示速度總是相對的。相對於靜止的觀察者而言，以40 mph行駛的汽車的速度為40 mph，而相對於以20 mph行駛的相鄰汽車的速度僅為20 mph。或者，以60英裡/小時的速度向同一輛汽車駛向相反的方向。當將相對速度的概念應用於光速時，它與麥克斯韋的表面基本事實不符。這給愛因斯坦帶來了嚴重的困境。

這種矛盾使愛因斯坦提出了令人難以置信的想法，但這也是物理學史上最具突破性的主張之一。要了解矛盾並因此弄清時間為什麼變慢，我們來看看另一個獨創性的思維實驗，它是愛因斯坦最好的實驗之一。他想像一個人站在車站月臺上，兩邊的兩個閃電擊中了他。站在這兩個點中間的那個人同時觀察到兩側的光束。

但是，當火車上的一個同伴以光速駛過該場景時，看到該場景時，事情就變得異常了。根然而，當一個人在火車上以光速通過時，看到這一場景，事情就變得特別了。

根據運動定律，離火車較近的閃電發出的光會比離火車較遠的閃電發出的光更早到達那個人。這兩個人對光速的測量在大小上是不同的。但這怎麼可能呢?根據麥克斯韋的理論，光速必須是恆定的，與觀察者的運動無關——這就是所謂的宇宙「基本」事實。


為了彌補這一差異，愛因斯坦提出時間本身會減慢，這樣光速就會保持不變!與站臺上那個人的時間相比，火車上那個人的時間過得慢一些。他稱這個為時間膨脹。

引力時間膨脹

愛因斯坦稱他的理論為狹義相對論。它很特殊，因為它處理的是恆速。在現實世界中，物體總是在加速和減速，為了使它與現實世界一致，他需要研究他的理論在涉及加速時的影響。對所有普遍現象進行概括和解釋的努力使他發現了時間和引力之間的關係;他稱這個新發現的引力理論為「廣義相對論」。

牛頓相信時間的流動就像一支箭：它只朝著一個方向堅定地前進。在有軌電車上的愛因斯坦假設時間與速度成反比。由於它的可塑性，它應該像空間一樣，有自己的尺度。事實上，愛因斯坦聲稱這兩者是同一件東西，是一種可伸縮的四維結構，宇宙事件就是在這種結構上展開的。他稱之為時空的結構。當愛因斯坦發表他的研究成果時，人們對他的反應和人們對這一非凡成果發表時的反應是一樣的——懷疑。

根據廣義相對論，物質會拉伸和收縮時空的結構，從而使物體不會被神秘地拉向地球中心，而是被其上方彎曲的空間向下推。為了模擬一個斜坡，時空的曲率加速了向下移動的物體，儘管加速度的速率在所有點上並不相同。引力朝向地球表面的力量更大，在地球表面，曲率比其邊緣更強烈。

即使在技術上不準確，但蹦床類比是解釋時空扭曲的最簡單方法。

如果重力隨著我們向下移動而增加，則自由下落的物體在表面上某個點（例如B）的下落要比在更高的高度（例如A）上的下落更快。對於自由下落的物體，根據狹義相對論，B處的時間必須比A處的時間慢一些，因為物體的速度在B處更快。

時間是什麼？

那么正確的時間是什麼時候?嗯，一個也沒有。愛因斯坦假設沒有絕對的時間。時間是相對的，它取決於一個人所受的力系，也就是通常所說的參照系。在你自己的框架中運行的時間被稱為固有時間。如果運動定律對所有觀察者來說都是一樣的，不管他們的運動是什麼，那麼時間一定會變慢，這樣你運動得越快，你的時鐘相對於另一個時鐘運行得就越慢。這就是安妮·海瑟薇在《星際穿越》中對馬修·麥康納所提到的:「在這個星球上的一個小時相當於地球上的7年。」


在電車上再次參考愛因斯坦的思想。慢時鐘的出現是我們原始神經系統的控制因素，還是時間真的變慢了？時間的放緩甚至意味著什麼？時間的反覆無常迫使我們去問-時間本身是什麼？這不僅僅是一個討厭的哲學系學生在兄弟聚會上互相問的問題。自上古以來，時間的概念就困擾著自然哲學家和物理學家。

時間的主要功能是按時間順序記錄事件。然而，直到最近400年，人們決定時間的假設是恆星繞著我們轉，而不是地球繞著它們轉。儘管推理的依據不正確，「時間」仍然表現良好。它之所以有效是因為日子和季節可以預測地重複，當你有一個可以預測地重複的東西時，你就有了一個計時機制。

古老時鐘的示例。（提供者：TeePhoto / Shutterstock）

伽利略用這種機構的遞歸性質來計算運動。如果不考慮時間，描述運動是不可能的。然而，這一次並不是絕對的。即使牛頓提出了運動定律，他也引入了一個時間概念，即兩個時鐘不是以絕對的、獨立的時間同步滴答，而是相互配合。同步是我們製造如此精密和精確的原子鐘的原因。

時間的概念基於兩個事件的同時性，同時性或關鍵性的巧合，例如火車的到來以及火車剛到時鐘針的恰巧重合。愛因斯坦的理論指出，這些巧合必須受到一個人的舉動的影響。如果平臺上的兩個觀察者和火車不能就同時發生的事情達成共識，那麼他們就無法就時間流逝達成共識。

為了理解運動對可預測性的影響，讓我們考慮最簡單的計時機制。想像一個由光子組成的計時裝置，它在兩個有限距離的鏡子之間來回反射。假設光子每次反射都經過1秒。現在，把兩個這樣的時鐘掛在地球表面上方的A點和B點上(前面討論過)，讓它們測量自由落體經過它們時的時間。自由落體用一個類似的時鐘在自己的參考系中測量經過的時間。他們測量的什麼?

觀察兩個運動鏡之間的光子反射類似於觀察網球在運動的火車上彈跳。即使球是火車中某人垂直彈跳的，對於外面的靜止觀察者來說，球也是三角形彈跳的。

當儀器向前移動時，光子在第一次被釋放後，就像球一樣，在被反射後似乎移動了更長的距離。因此，我們對時間的測量已經扭曲了!此外，儀器移動得越快，光子反射的時間就越長，從而延長了一秒的持續時間!這就是為什麼時間的流點B是低於點(記得,由於重力,物體下降速度比A點B點)。


https://www.scienceabc.com/wp-content/uploads/2018/01/Time-Dilation-Light-bouncing-on-mirror..gif當然，差別是微乎其微的。山頂上的時鐘和地球表面上的時鐘所測量的時間之差是納秒。儘管如此，愛因斯坦的發現仍然具有開創性。重力確實阻礙了時間的流動，這意味著物體質量越大，它周圍的時間流逝得越慢。

話雖如此，鑑於整篇文章都討論了光的減速，所以選擇光鍾來證明這一點似乎很方便。但是，時間擴展會影響每個時鐘，無論它依賴於最簡單的電磁現象還是電磁與牛頓運動定律的複雜組合。廣義相對論的普遍性確保了這一點。實際上，甚至生物學過程以及因此的時間都在擴大。是的……你的頭比腳稍微老一點！

作者: sciabc

FY: Margaret

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