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研究表明:相差1毫米,时间也会发生膨胀,爱因斯坦又对了?

时间对所有人和物来说都是相同的吗?

在过去千百年里,“时间面前人人平等”的理念深入人心,一天对任何人来说都只有24小时,但随着物理学的进步,尤其是爱因斯坦相对论的出现,时间开始变得反直觉了起来,因为在相对论里时间流逝速度是会发生变化的。

狭义相对论首先证明了速度越快时间流逝速度越慢,后来的广义相对论因为纳入了引力,又得出了引力越强时间流逝速度越慢,其中前者已经被卫星和飞机上的原子钟证明了,后者也成了现代物理学的基本公理之一。

以上这种时间流逝速度在特定条件下变慢的现象,被爱因斯坦命名为“时间膨胀”,顶级科学期刊《自然》发表的有关时间膨胀的论文更是证明,那怕是高度相差一毫米,也会产生时间膨胀效应。

具体而言

两个原子钟的高度每相差一毫米,时间流逝速度就会相差1000亿亿分之一秒,如此精密的条件验证了再一次证明了爱因斯坦的正确性,证实了爱因斯坦一个多世纪前的预言。

追根溯源

在最初的牛顿物理学中,时间从未显示出相对性,因为当时的技术尚不足以观测到时间膨胀效应,牛顿符合直觉的绝对时空观念统治着科学界,绝对时间的观念也深入人心。

牛顿理论的第一次失灵是在解决水星近动问题的时候,当时由于万有引力定律并未探究出引力的本质,所以每过100年,水星的近日点进动与万有引力定律预言的数值就会相差43角秒,而这个理论与实际观测不符的缺陷恰好给了爱因斯坦广义相对论一个机会。

时间回到1915年

爱因斯坦广义相对论正式完成后,将天体们产生的引力解释成了“时空扭曲”,而且质量越大的天体扭曲时空的力度越强,在水星是距离太阳最近的行星的情况下,太阳引力扭曲着的水星附近时空,进而产生了与牛顿万有引力预测不相符的情况。

因此必须要由万有引力定律的加强版,也就是爱因斯坦广义相对论出手,才能完美解决水星近动问题,而且除了解决水星问题外,广义相对论基于时空一体化和引力理论预测的引力透镜效应、引力波、黑洞、引力以光速传播等现象,在后来也都一一得到了证实。

看到这里也许会有人觉得时间就是人为创造出的一个概念一个单位,在现实中不可能发生什么改变,就像1+1在任何时候都等于2一样。

然而这种想法是错误的

因为现代社会方方面面都在受到时间膨胀效应的影响,因为构成现代社会的互联网的基础就是通讯卫星,而近地轨道上那些90分钟就能绕地球一周的人造卫星们,它们携带的原子钟每天都会因为速度太快而比地球上快38微秒。

在天地卫星通讯以光速保持同步的情况下,如果不用时间膨胀公式消除这38微秒的误差,每过24小时导航卫星的精度就会漂移10公里,没有了GPS和我国北斗卫星定位导航系统,人类基本就回到了一个世纪前的世界。

从长远来看

如果人类文明未来掌握了可控核聚变技术,并以它为动力制造出了准相对论飞船,也就是巡航速度在百分之二十光速左右的飞船的话,以每秒6万公里飞行的飞船上的人,也会受到时间膨胀效应的影响而比地球上的人老得慢。

极端情况下,如果这艘飞船靠近拥有极端引力的黑洞附近的话,飞出本身高速运动状态下的时间膨胀效应还会跟黑洞附近的超强引力融合,飞船内的成员将受到双重时间膨胀的影响,自身时间流逝速度会被大幅度放慢,甚至是趋于静止。

这样一来如果这艘飞船返回地球,地球上就会过去千百年甚至更久,具体的年数要看飞船的速度有多快,黑洞的引力有多强。