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相对论的时间膨胀表明“速度越快时间越慢”,膨胀的到底是什么?

宇宙怪谈 444

前言:

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在牛顿的经典物理学体系下,时空是绝对的,一成不变的。也就是说,一秒就是一秒,对于每个人来讲都是一样的。

但是爱因斯坦提出相对论之后,彻底推翻了牛顿的绝对时空观,也颠覆了我们的传统认知。爱因斯坦告诉我们,时空并不是绝对的,而是相对的,就像弹性布料那样,可以拉扯,扭曲,撕裂。

按照相对论的相对时空观诠释,不同的参考系中,时间的流逝速度是不一样的,这也就是时间膨胀。

说白了,时间膨胀就是两个不同的参考系对时间流逝的不同感受。比如说,你乘坐亚光速飞船离开地球,在我眼里你的时间就膨胀了,因为我会看到你的时间变慢了。

狭义相对论和广义相对论都有关于时间膨胀的描述,所以时间膨胀可以分为两种,但本质上都是等价的。

首先来说狭义相对论中的时间膨胀。简单讲就是速度越快时间就越慢,用公式表达就是下图。

公式中的t'就是高速运动的参考系里的时间膨胀值,t代表低速参考系下的时间,v是两者的相对速度,c为光速。

可以看出,当v越是接近光速,时间膨胀效应就越明显。如果无限接近光速,时间就趋于停止。

而在广义相对论里,引力取代了速度,引力越大时间就越慢。用公式表达就是下图。

公式中可以看出,物体的质量越大,时间膨胀效应就越明显。这也是为什么黑洞附近的时间流逝非常慢,在黑洞附近逗留一会,重返地球后会发现地球时间过去了几十年甚至更久。科幻电影《星际穿越》就有这样的故事情节。

速度和引力都会引起时间膨胀,但不管是哪种时间膨胀,都有光速的影子,都与光速息息相关。

光速为何会与时间息息相关?为何时间膨胀都离不开光速?

详细讲解起来比较复杂。这里就长话短说,因为光速就是如此霸道,光速是绝对的,不需要任何参考系,或者说在任何参考系下光速都保持不变。

在我们日常生活中,速度都是相对的,必须有合适的参考系,速度才有意义。但光速不是这样的,它始终保持光速。

举个例子,即便你驾驶汽车以0.9倍光速飞行,汽车发出的光的速度在我眼里仍旧是光速,而不是汽车速度加上光速,也就是1.9倍光速。

光速与任何速度叠加之后仍旧是光速。

为了保证光速的这种绝对性,某些东西必须做出改变,才能使得不同的参考系下观察到的光速保持不变。

而速度等于距离除以时间,距离就是空间。如果速度绝对不变,那么时间和空间必然要改变,才能让不同的参考系下观察到的光速绝对不变。

光速,就是我们宇宙的绝对参考系,是宇宙的定海神针一样,任凭外界风吹浪打,依旧纹丝不动。

下面说说引力为什么会导致时间膨胀,其实与速度导致时间膨胀本质上是一样的,两者是等效的。

广义相对论告诉我们,引力越大,周围的时空弯曲越厉害,时间就会变慢。为什么会这样?

用公式诠释很复杂,广义相对论公式看懂的人并不多。这里给出一个通俗的解释,通俗往往意味着不太严谨,但对科普来讲也足够了。

引力越大,时空扭曲越厉害,意味着光线沿着扭曲的时空飞行的时间也就越长,时间当然就会变慢。

而像黑洞这样的天体能无限扭曲时空,意味着光速永远沿着无限扭曲的时空飞行,永远飞不出去,也就意味着时间停止了。这也是为什么一旦越过黑洞的事件视界,时间就戛然而止了。

这里有必要强调一下,不管是速度还是引力引起的时间膨胀,其实都是相对不同的参考系而言。对于自己来讲,也就是自己的本征时间,是不会变的。

比如说,哪怕你以无限接近光速的速度飞行,你自己是感受不到时间变慢的,只有通过与外面不同的参考系做对比,才能感受到时间膨胀。比如说重返地球这个参考系之后,你会发现地球时间过去了好几百年,自己的时间膨胀了。

时间膨胀效应并不仅仅是理论,更不是猜测,早就已经在我们身边广泛应用了。

最明显的应用就是卫星导航系统。由于卫星的速度很快,同时对卫星导航的精确度要求很高,就必须考虑到高速运动下卫星出现的时间膨胀效应。当然不仅仅是速度,还有引力也会影响卫星的时间。

所以,必须对卫星上的时钟做出相应调整,使其与地面时间保持一致,不然导航系统会彻底瘫痪!

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