人們?cè)?jīng)認(rèn)為,時(shí)間的流逝速度是恒定的,無(wú)論何時(shí)何地,或者是處于哪種狀態(tài),時(shí)間都會(huì)以相同的速度流逝,然而愛(ài)因斯坦卻提出了不同的觀點(diǎn)。
他在相對(duì)論中指出,時(shí)間的流逝速度并非恒定不變,而是與你的速度和你所處的引力場(chǎng)強(qiáng)度密切相關(guān),你的速度越快,或者你身處的引力場(chǎng)越強(qiáng),時(shí)間就過(guò)得越慢。
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在這個(gè)理論剛被提出的時(shí)候,科學(xué)界普遍對(duì)此持懷疑態(tài)度,但在過(guò)去的一百多年里,大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,卻表明了愛(ài)因斯坦是正確的。
時(shí)至今日,這個(gè)理論已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用階段,一個(gè)經(jīng)典的應(yīng)用就是我們經(jīng)常會(huì)使用到的全球定位系統(tǒng)。
要知道全球定位系統(tǒng)依賴于在太空中運(yùn)行的衛(wèi)星,根據(jù)相對(duì)論,由于衛(wèi)星在軌道上的運(yùn)動(dòng),會(huì)造成其時(shí)間的流逝速度變慢,而由于衛(wèi)星處于高空,受到的地球引力比地面小,其時(shí)間則會(huì)流逝得更快。
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因?yàn)榫C合計(jì)算下來(lái),引力效應(yīng)占了主導(dǎo),所以太空中衛(wèi)星的時(shí)間流逝速度其實(shí)比地面更快一點(diǎn),雖然這個(gè)差異極其微小,但對(duì)于需要精確定位的系統(tǒng)來(lái)講卻不可忽略。
所以科學(xué)家們必須根據(jù)相對(duì)論對(duì)衛(wèi)星上的時(shí)鐘進(jìn)行持續(xù)的時(shí)間校正,如果忽略這個(gè)校正,其定位結(jié)果每12小時(shí)就會(huì)累積約7米的偏差,也就無(wú)法做到精確定位了。
那么問(wèn)題就來(lái)了,愛(ài)因斯坦是怎么知道這一切的呢?答案就是:一個(gè)至今仍無(wú)法解釋的現(xiàn)象,讓愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)了時(shí)間的秘密。
這種現(xiàn)象可以描述為:無(wú)論在何種慣性參照系中觀察,光在真空中的傳播速度都是一個(gè)常數(shù),也就是每秒299792458米。
什么意思呢?我們可以將其簡(jiǎn)單地理解為,對(duì)于真空中的一束光來(lái)講,無(wú)論你是處于靜止?fàn)顟B(tài),還是正在向著這束光運(yùn)動(dòng),又或者是正在背著這束光運(yùn)動(dòng),你測(cè)量到這束光的速度都是恒定的每秒299792458米。
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可以看到,這種現(xiàn)象是極為反直覺(jué)的,然而這卻是理論和實(shí)驗(yàn)得出的同一個(gè)結(jié)果,為什么會(huì)這樣呢?很遺憾,對(duì)于這種現(xiàn)象,科學(xué)家至今仍無(wú)法解釋清楚。
不過(guò)愛(ài)因斯坦并沒(méi)有糾結(jié)于“為什么”,而是直接將其作為一條基本公設(shè),即相對(duì)論中的“光速不變?cè)怼薄?/p>
根據(jù)這個(gè)原理,既然光速是絕對(duì)的,那么必定有其他東西是可變的,是什么呢?愛(ài)因斯坦給出的答案是:時(shí)間。
為方便理解,我們可以來(lái)做一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)。假設(shè)有一種“光子鐘”,它由兩面互相的平行鏡子組成,一個(gè)光子在兩面鏡子之間垂直上下反射,由于其每次反射的時(shí)間都是固定的,因此可以用來(lái)作為計(jì)時(shí)單位(如下圖所示)。
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現(xiàn)在我們?nèi)∫粋€(gè)這樣的“光子鐘”,把它放在一艘飛船里,然后讓這艘飛船飛起來(lái),并相對(duì)于地面高速平移。
在這個(gè)場(chǎng)景中,如果在飛船里觀測(cè),那“光子鐘”里的光子就只有垂直于鏡面的運(yùn)動(dòng)軌跡(如下圖所示)。
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而如果在地面上觀測(cè),由于飛船在高速平移,因此這個(gè)“光子鐘”里的光子除了上下垂直運(yùn)動(dòng)以外,還會(huì)多出一個(gè)平移的運(yùn)動(dòng),所以其運(yùn)動(dòng)軌跡就不再垂直于鏡面,而是變成了斜線(如下圖所示)。
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根據(jù)勾股定理可知,這種斜線的長(zhǎng)度肯定會(huì)大于兩面鏡子的垂直距離,而這也就意味著,在同一個(gè)計(jì)時(shí)單位里,地面上的觀測(cè)者觀測(cè)到的光子,其運(yùn)動(dòng)距離會(huì)比飛船上的觀測(cè)者所觀測(cè)到的更長(zhǎng)。
而根據(jù)“光速不變?cè)怼保m然光子的運(yùn)動(dòng)距離變長(zhǎng)了,但在地面上的觀測(cè)者看來(lái),其速度仍然是不變的,并不會(huì)疊加飛船本身的速度。
據(jù)此我們不難推導(dǎo)出,這樣的情況就會(huì)導(dǎo)致在同一個(gè)計(jì)時(shí)單位里,飛船里和地面上的觀測(cè)者所經(jīng)歷的時(shí)間流逝速度不一樣,具體來(lái)講就是,在地面上的觀測(cè)者看來(lái),飛船里的時(shí)間流逝速度變慢了,并且飛船的速度越快,其時(shí)間流逝的速度就越慢。
那引力又是怎樣影響時(shí)間的呢?為方便理解,我們可以再做一個(gè)思想實(shí)驗(yàn),假設(shè)有一個(gè)人坐在一艘全封閉的飛船里,無(wú)法看到飛船外面的情況。
如果這艘飛船靜止在地球表面,那么飛船里的人就會(huì)感受到一種向下的力,這種力其實(shí)就是我們習(xí)以為常的地球引力。
但如果這艘飛船是在太空中,并沒(méi)有受到任何引力,而是正在以大約9.8米/平方秒的加速度(即地球的重力加速度)“向上”加速飛行,那么飛船里的人也會(huì)感受到一種“向下”的力,這種力就是“慣性力”(注:“慣性力”是一種虛擬力,其本質(zhì)其實(shí)是物體慣性的一種表現(xiàn))。
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愛(ài)因斯坦指出,在上述兩種場(chǎng)景中,如果這個(gè)人事先不知道外界情況,那他就無(wú)法區(qū)分自己感受到的是地球引力,還是飛船加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的“慣性力”,這就說(shuō)明了,一個(gè)位于引力場(chǎng)中的參照系與一個(gè)具有加速度的參照系是等價(jià)的。
這就是相對(duì)論中的“等效原理”,根據(jù)這個(gè)原理我們就可以推導(dǎo)出,既然速度會(huì)影響時(shí)間流逝的速度,那引力同樣也可以,并且引力越強(qiáng)的地方,時(shí)間流逝得就越慢。
好的,今天我們就先講到這里,歡迎大家關(guān)注魅力科學(xué)君,我們下次再見(jiàn)。
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