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爱因斯坦是怎么知道引力能让时间变慢的?

时间:2021-11-16 01:43:23 浏览量:
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爱因斯坦曾经预测过“引力时间膨胀”现象,他认为一个物体受到的引力越大,其经历的时间就越慢。后续的研究表明,他的预测是正确的,早在1960年,“庞德-雷布卡实验”就首次证实了“引力时间膨胀”的存在,而时至今日,我们使用的全球定位系统也必须根据“引力时间膨胀”来进行时间校正。

那么问题来了,爱因斯坦是怎么知道引力能让时间变慢的呢?

爱因斯坦是怎么知道引力能让时间变慢的?爱因斯坦是怎么知道引力能让时间变慢的?

光速不变原理

不得不说,“引力时间膨胀”有点令人感到困惑,因为在我们的印象中,引力应该只作用于具有质量的物质,而时间并不是物质,根本就没有质量可言,那为何引力却能让时间变慢呢?要回答这个问题,我们需要从“光速不变原理”讲起。

简单来讲,“光速不变原理”是指无论你在哪种参照系中观察,光在真空中的传播速度都是一个恒定不变的常数(c),并不会因为光源和观察者所在参照系的相对运动而改变。

意思就是说,无论你处于相对真空中的一束光是什么运动状态,你观察到的这束光的速度始终都是c,比如说假如你以10%的光速迎着真空中的一束光运动,那么你观察到这束光的速度仍然是c,而不是1.1c,而假如你以同样的速度与真空中的一束光做反向运动,那么你观察到这束光的速度也是c,而不是0.9c。

“光速不变原理”是科学家通过理论和实验得到的,这也是狭义相对论的公设之一,根据这个原理,我们就可以通过一个思想实验来推测出,速度能让时间变慢。

光子钟实验

上图为一种“光子钟”的简化模式,在光子钟之内是真空状态,光子可以在两面互相平行的镜子之间以真空中的光速(c)不断地垂直反射,所以光子每完成一次反射的时间都是“h/c”(注:h为两面镜子间的垂直距离)。

现在我们取两个这样的光子钟,一个放在地面上,称为“光子钟A”,另一个则放在一艘相对于地面高速运动的宇宙飞船上,称为“光子钟B”。在这种情况下,如果将地面作为静止参照系,那么放在“光子钟B”内的光子就会在垂直运动之外,还会随着宇宙飞船的运动方向多了一个额外的运动(如下图所示)。

也就是说,如果我们在地面上观察,就会发现“光子钟B”中的光子每完成一次反射的距离增加了,根据勾股定律我们可以得出,这个距离为“√(h^2 + x^2)”(注:“√”是指“根号下”,x为光子的平移距离)。

按通常的思路来讲,“光子钟B”中的光子叠加了宇宙飞船的速度,其速度也增加了,因此“光子钟B”中的光子每完成一次反射的时间就会与“光子钟A”相等。

但由于“光速不变原理”,光子的速度并不会因为宇宙飞船的速度而增加,也就是说,如果我们在地面上观察,就会发现“光子钟B”中的光子每完成一次反射的时间为“[√(h^2 + x^2)]/c”,而“光子钟A”每完成一次反射的时间却是“h/c”。

然而对于宇宙飞船上的人来讲,由于他们在跟着宇宙飞船一起运动,并不会观察到“光子钟B”中的光子多了一个额外的运动,因此他们观察到的“光子钟B”中的光子每完成一次反射的时间依然是“h/c”。

这就意味着,宇宙飞船上每度过“h/c”的时间,地面上就度过“[√(h^2 + x^2)]/c”的时间,相比之下,前者的时间流逝速度比后者更慢,换句话来讲就是,宇宙飞船上的时间变慢了。

可以看到,导致这种现象的原因正是宇宙飞船的速度,据此我们还可以推测出,一个物体的速度越快,其时间就越慢。那这跟爱因斯坦提出的“引力能让时间变慢”有何联系呢?

等效原理

在乘坐电梯的经历中,我们常常会感到当电梯刚刚启动的时候,会有一种与电梯运动方向相反的力(比如说电梯向上运行,这种力的方向就是向下的),这种力其实是电梯的加速度造成的“惯性力”,从本质上讲,这是物体惯性的体现。

假设有两个场景,一个场景是,让一个人待在一艘宇宙飞船里,然后将这艘宇宙飞船放在地球表面。

另一个场景是,将这艘宇宙飞船置于失重的环境中,并让其以与地球表面的重力加速度完全相等的加速度持续向上飞行。

可以想象的是,在这两个场景中,宇宙飞船中的人都会感受到向下的力,并且是一模一样的力,如果这个人无法观测外界,那么他就根本无法区分自己是受到力是地球引力,还是宇宙飞船的加速度造成的“惯性力”。

由此可见,一个具有加速度的参照系与引力场中的参照系不可区分,它们是等价的,而这就是爱因斯坦在《广义相对论》中提出的重要理论——“等效原理”。

爱因斯坦认为,既然这两者是等效的,那么每一个引力场都可以用一个具有特定加速度的参照系来进行替代,如此一来,就可以利用《狭义相对论》来描述引力场中的时间,既然速度能让时间变慢,那引力场当然也能让时间变慢,并且引力场的引力越大,其等价的参照系的加速度就越快,于是时间也就会变得越慢。

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编辑:夜樱
关键词: 爱因斯坦
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