時間膨脹：為什麼重力能夠使時間變慢？

1905年的春天，沉默寡言的愛因斯坦坐上了回家的電車，車站距離Zytglogge鐘樓幾英裡遠。當時的愛因斯坦只是一名專利技術員，他儘快完成了工作，利用閒暇時間探尋宇宙的真相。當人們嘲笑那些天馬行空的想像是白日夢時，愛因斯坦，這位十足的天才提出了他的理論，我們將他的構思奉為思想實驗。就是在那輛電車上，他的思想實驗徹底革新了近代物理學。

看著眼前巨大的鐘塔漸漸遠去，愛因斯坦突發奇想，如果電車以秒速186000英裡的速度行駛，鐘樓的指針將會呈現完全靜止的狀態。同時他也清楚鐘樓的指針將繼續轉動——時間也正常流逝。但對於愛因斯坦來說，時間變慢了。因此，他意識到行駛速度越快，時間流動速度就會越慢，但這是真的嗎？

愛因斯坦面對的困境

愛因斯坦深受兩大物理學家的影響。一位是愛因斯坦的偶像，發現了運動定律的牛頓；另一位是提出電磁理論麥克斯韋。但是這兩種定理相互對立。麥克斯韋認為電磁波的速度是恆定的，就像光——速度高達186000英裡/秒,他認為這是宇宙的基本事實。

圖解：沒有什麼物體的速度能夠超越光速。（圖片來自：Pexels）

牛頓的定理則指出速度總是相對的。一輛汽車的行駛速度是40英裡/時，這是相對於靜止的觀察者的速度，但相對於同向行駛，速度為20英裡/時的車輛來說，其速度只有20英裡/時，若是相對行駛，其速度就是60英裡/時。當應用於光速時，速度相對論與麥克斯韋的基礎事實相悖，這給愛因斯坦出了個大難題。

然而，這一大難題促使愛因斯坦提出了物理學史上難以置信卻又最具創新性的理論——兼顧這兩大定律的理論，這聽上去似乎也沒多麼令人震驚。為了探究這兩者之間的矛盾，解釋時間為什麼變慢，愛因斯坦想到了一個精妙絕倫的思想實驗，這絕對排在最佳思想實驗行列中。他設想一個人站在車站站臺，左右兩邊射下兩道閃電，他恰好站在兩道閃電中間，以他的視角可以觀察到兩束光線同時射下。

但是，在火車上的人卻看到了不同的一幕。火車正以光速行駛經過站臺，根據牛頓運動定律，火車上的人會先看到距離火車更近的光線射下，然後才看到較遠的光線。然而這兩個人測量出的光速卻不同。根據麥克斯韋的理論，忽略觀察者的運動，光速是恆定的，那麼在所謂的宇宙基本事實的前提下，這樣的結果怎麼可能會發生？

愛因斯坦對這一差異進行了補充說明，因為時間本身變慢了，所以光速還是保持不變。相對於站臺上的人，火車上的人經過他時所經歷的時間更慢一些。愛因斯坦稱之為時間膨脹。

重力時間膨脹

愛因斯坦將這一原理命名為狹義相對論，稱之為狹義是因為它主要解決速度恆定的問題。但在現實世界中，物體總是在加速或者減速，愛因斯坦需要考慮在加速的情況下，這一原理是否受用。為了概括並解釋普遍現象，愛因斯坦發現了時間與重力之間的關係，並將這一新發現的重力原理命名為廣義相對論。

牛頓認為時間如離了弦的箭，勇往直前。愛因斯坦假設時間與速度成反比。時間也像空間一樣，具有延展性，所以時間也可以看成一種維度。事實上，愛因斯坦認為時間與空間不能分開來探討，他們是一回事，是共同組成四維空間的一片織網，能夠無限延伸，宇宙事件在這片織網上不斷展開。愛因斯坦將其稱為時空。他將這項不可思議的研究成果發表後得到了意料之中的反饋——無稽之談。

根據廣義相對論，物質可以拉伸或者壓縮時空，因此物體並不是被某種神秘的力量拉向地球，而是因為彎曲的空間。這裡可以參照一下斜坡，時空的曲度使物體加速下落，即便是各個點的速率不同。越趨於地表，重力就越大，時空的曲度也要比側面邊緣大。

時空因大質量物質而彎曲，我們將其類比蹦床。雖然嚴格意義上來講，這樣的類比不夠科學嚴謹，但這是最簡單的解釋方式。

越接近地表，時空的曲度就越大，引力也會越強，那麼一個做自由落體運動的物體在地表某一點B的速度，要比在高空某一點A的速度快。根據狹義相對論，下落的速度越快，時間流逝的就越慢，所以經過點B的時間相對於經過點A的時間要慢一些。

時間是什麼呢？

什麼又是準確的時間呢？答案是，沒有準確的時間。愛因斯坦認為沒有絕對的時間,時間是相對的，而且取決於它所受支配的力量體系，即參考系。在你自己的參考框架裡所流淌的時間叫做本徵時間。假設運動定律對所有觀察者是相同的，忽略其運動，那麼時間就會變慢，此時你的運動速度越快，相對於其他觀察者你的時間會流逝得更慢。電影《星際穿越》中就有這樣一幕，主人公降落在一個遙遠的星球上後，安妮·海瑟薇對馬修·麥康納說：「這裡的一小時相當於地球上的七年。」

時間是什麼？

讓我們再次回想一下愛因斯坦在電車上進行的思想實驗。是慢時鐘的出現限制了我們的思維發展，還是時間真的會變慢？如果時間會變慢，這又意味著什麼？時間的變化無常讓我們不禁發問——時間，它究竟是什麼？這一問題不僅使哲學系學生無比懊惱，在兄弟會派對上頻頻討論，從遠古時期起，時間這一概念就困擾著自然哲學家和物理學家。

時間最初的功能是按順序記錄事件。400年前，人們認為恆星圍繞地球轉，而不是地球圍繞恆星轉，並以此來規定時間,儘管這個結論不正確，「時間」依舊安然前進著。日復一日，四季輪迴，當這一切如你所推斷的那樣重複著，交替著，你便有了計時機制。

遠古時鐘（圖片來自：TeePhoto/Shutterstock）

伽利略通過大自然周而復始的規律來計算運動規律，他認為不參考時間是無法描述運動的。然而這裡的時間也不是絕對的。甚至是牛頓在構思他的運動定律時，也對時間的概念做了補充說明，兩個時鐘的轉動不是絕對的、獨立的，而是同步進行的。我們建造高度精密與精確的原子鐘正是為了同步時間。

我們將時間的概念建立在同步性的基礎上，又或者說是兩個事件之間重要的巧合性。比如說，火車到站和鐘錶指針排成直線這兩件事同時發生。愛因斯坦認為這樣的巧合一定是在觀察者運動的影響下發生的，如果站臺上和火車裡的觀察者不能在同步性上達成一致，那他們在時間流動的的問題上也不能達成一致。

讓我們通過一個最簡單的計時裝置來理解運動對時間的影響。一粒光子在兩面鏡子之間來回反射，反射一次記為一秒，這樣就組成了一個計時器。現在將兩個這樣的計時器一個放在點A一個放在點B（上文中已提到），並測量自由下落的物體經過這兩個計時器時所用的時間。但是問題來了，兩個計時器的計時機制相同，而自由下落的物體有自己的參考系，這能測量到什麼呢？

其實，這一過程看到的情形與球在行駛中的火車上彈跳的情形類似。火車上的人看到的球始終是垂直彈跳的，但地面上靜止的觀察者則看到球沿斜線方向彈跳。釋放出的光子就像火車上的球，這時移動一下計時器，就能看到光子的反射路程變長了，所以測量出的時間也失真了。另外，計時器的移動速度越快，光子的反射路程也越長，同時一秒鐘也被拉長了，這也就解釋了為什麼物體經過B點比經過A點的時間流逝的慢（回憶上文，由於重力原因，物體在B點的速度比A點大）。下面這個動圖生動地展現了光子的斜線路徑以及時間是如何被拉長的的。

當然，這一差異極其微小，要計算山頂時間與地面時間的差異就需要用納秒了。但無論怎樣，愛因斯坦的這項發現無異於學術革新。重力確實會影響時間的流逝，這也說明了物體的質量越大，周圍區域的時間流動越慢。

鑑於通篇圍繞光速變慢這一問題，不得不說，選擇光子鍾進行實驗證明再好不過了。

時間膨脹會影響任何鐘錶，無論是以電磁現象為製作原理的簡易的鐘，還是兼有電磁學與力學支持的複雜的鐘，都無一例外,這一點有廣義相對論做有力支持。實際上，連生物過程都受到了時間膨脹的影響，是的，你應該猜到了······你的臉要比你的腳稍稍老一點。

作者: Akash Peshin

FY: 夏月星夕

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