愛因斯坦是怎麼知道引力能讓時間變慢的?

网瘾少女 2022/01/05 檢舉 我要評論

愛因斯坦曾經預測過「引力時間膨脹」現象,他認為一個物體受到的引力越大,其經歷的時間就越慢。後續的研究表明,他的預測是正確的,早在1960年,「龐德-雷布卡實驗」就首次證實了「引力時間膨脹」的存在,而時至今日,我們使用的全球定位系統也必須根據「引力時間膨脹」來進行時間校正。

那麼問題來了,愛因斯坦是怎麼知道引力能讓時間變慢的呢?

光速不變原理

不得不說,「引力時間膨脹」有點令人感到困惑,因為在我們的印象中,引力應該只作用于具有質量的物質,而時間並不是物質,根本就沒有質量可言,那為何引力卻能讓時間變慢呢?要回答這個問題,我們需要從「光速不變原理」講起。

簡單來講,「光速不變原理」是指無論你在哪種參照系中觀察,光在真空中的傳播速度都是一個恒定不變的常數(c),並不會因為光源和觀察者所在參照系的相對運動而改變。

意思就是說,無論你處于相對真空中的一束光是什麼運動狀態,你觀察到的這束光的速度始終都是c,比如說假如你以10%的光速迎著真空中的一束光運動,那麼你觀察到這束光的速度仍然是c,而不是1.1c,而假如你以同樣的速度與真空中的一束光做反向運動,那麼你觀察到這束光的速度也是c,而不是0.9c。

「光速不變原理」是科學家通過理論和實驗得到的,這也是狹義相對論的公設之一,根據這個原理,我們就可以通過一個思想實驗來推測出,速度能讓時間變慢。

光子鐘實驗

上圖為一種「光子鐘」的簡化模式,在光子鐘之內是真空狀態,光子可以在兩面互相平行的鏡子之間以真空中的光速(c)不斷地垂直反射,所以光子每完成一次反射的時間都是「h/c」(注:h為兩面鏡子間的垂直距離)。

現在我們取兩個這樣的光子鐘,一個放在地面上,稱為「光子鐘A」,另一個則放在一艘相對于地面高速運動的太空船上,稱為「光子鐘B」。在這種情況下,如果將地面作為靜止參照系,那麼放在「光子鐘B」內的光子就會在垂直運動之外,還會隨著太空船的運動方向多了一個額外的運動(如下圖所示)。

也就是說,如果我們在地面上觀察,就會發現「光子鐘B」中的光子每完成一次反射的距離增加了,根據勾股定律我們可以得出,這個距離為「√(h^2 + x^2)」(注:「√」是指「根號下」,x為光子的平移距離)。

按通常的思路來講,「光子鐘B」中的光子疊加了太空船的速度,其速度也增加了,因此「光子鐘B」中的光子每完成一次反射的時間就會與「光子鐘A」相等。

但由于「光速不變原理」,光子的速度並不會因為太空船的速度而增加,也就是說,如果我們在地面上觀察,就會發現「光子鐘B」中的光子每完成一次反射的時間為「[√(h^2 + x^2)]/c」,而「光子鐘A」每完成一次反射的時間卻是「h/c」。

然而對于太空船上的人來講,由于他們在跟著太空船一起運動,並不會觀察到「光子鐘B」中的光子多了一個額外的運動,因此他們觀察到的「光子鐘B」中的光子每完成一次反射的時間依然是「h/c」。

這就意味著,太空船上每度過「h/c」的時間,地面上就度過「[√(h^2 + x^2)]/c」的時間,相比之下,前者的時間流逝速度比後者更慢,換句話來講就是,太空船上的時間變慢了。

可以看到,導致這種現象的原因正是太空船的速度,據此我們還可以推測出,一個物體的速度越快,其時間就越慢。那這跟愛因斯坦提出的「引力能讓時間變慢」有何聯繫呢?

等效原理

在乘坐電梯的經歷中,我們常常會感到當電梯剛剛啟動的時候,會有一種與電梯運動方向相反的力(比如說電梯向上運行,這種力的方向就是向下的),這種力其實是電梯的加速度造成的「慣性力」,從本質上講,這是物體慣性的體現。

假設有兩個場景,一個場景是,讓一個人待在一艘太空船裡,然後將這艘太空船放在地球表面。

另一個場景是,將這艘太空船置于失重的環境中,並讓其以與地球表面的重力加速度完全相等的加速度持續向上飛行。

可以想象的是,在這兩個場景中,太空船中的人都會感受到向下的力,並且是一模一樣的力,如果這個人無法觀測外界,那麼他就根本無法區分自己是受到力是地球引力,還是太空船的加速度造成的「慣性力」。

由此可見,一個具有加速度的參照系與引力場中的參照系不可區分,它們是等價的,而這就是愛因斯坦在《廣義相對論》中提出的重要理論——「等效原理」。

愛因斯坦認為,既然這兩者是等效的,那麼每一個引力場都可以用一個具有特定加速度的參照系來進行替代,如此一來,就可以利用《狹義相對論》來描述引力場中的時間,既然速度能讓時間變慢,那引力場當然也能讓時間變慢,並且引力場的引力越大,其等價的參照系的加速度就越快,于是時間也就會變得越慢。

搶先看最新趣聞請贊下面專頁

用戶評論