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《星际穿越》剧照：在黑洞附近的“米勒水星”，其重力是地球的130%。 利维坦按：根据时间膨胀效应，我们可以设想太空人在相对于地球上的观察者以极高速运动的飞船内时，对于地球观察者而言，尽管地球已经经历了很长的岁月，飞船内的人却没什么老化，因为极大的速度会使飞船（和里面的所有物体）的时间减慢。也就是说，地球上的观察者会发现，当飞船的时钟走了一圈时，地球上的时钟已经转了许多圈了。只要速度够快，这个效应便会明显地显示出来。比方说，对地球上的观察者而言，可能都过了24小时了，太空旅行者的手表却只走了2个小时。 不过，在今天的航天任务中，时间膨胀并不是考虑的因素之一，因为目前太空飞船的速度相对于光速实在是太小了。另外一个太空飞行会涉及到的时间膨胀效应情况，是接近一个有着极大引力的地方，比如黑洞，那里会有强大的引力时间膨胀效应： 史瓦西半径（Schwarzschild radius）是任何具重力的质量之临界半径，在天文学上，当一个天体的半径低于史瓦西半径时，便会成为黑洞。在物理学和天文学中，尤其在万有引力理论、广义相对论中，它是一个非常重要的概念。 文/Akash Peshin 译/及河峤岳 校对/Anthony 原文/www.scienceabc.com/nature/universe/time-dilation-why-does-gravity-slow-down-the-flow-of-time.html 本文基于创作共同协议（BY-NC），由及河峤岳在利维坦发布 1905年的春天，离时钟塔（Zytglogge Tower，一座为瑞士首都伯尔尼掌控时间的恢弘钟塔）几英里以外的地方，爱因斯坦在回家途中沉默地登上一辆有轨电车。爱因斯坦当时只是一名专利审查员，他一结束工作，就迫不及待地投入到对宇宙真相的深思中。我们会嘲笑我们自己的奇思妙想是白日梦，但是对于爱因斯坦的，我们却总是慎重地称之为思维实验——这得益于爱因斯坦极致的才智。正是在这辆电车上碰撞出的思维火花，彻彻底底地改变了现代物理学。 杂货街（杂货巷）和时钟塔，伯尔尼，瑞士。图源：Daniel Schwen/Wikimedia Commons 爱因斯坦想象着，如果这列电车能够以光速行驶，将会发生什么。看着眼前的恢弘钟塔，爱因斯坦意识到，如果他的移动速度达到每秒30万公里，那么现在一丝不苟转动着的表针，将会近乎完全静止。同时，爱因斯坦知道，钟塔背后的指针，其实还在照常转动——时间仍旧正常流逝。然而对光速移动的爱因斯坦来说，时间却慢了下来。他由此推断，你在空间维度中移动速度越快，在时间维度中耗时越慢。这怎么实现的呢？ 爱因斯坦的困境 爱因斯坦深受两位伟大物理学家的研究成果的影响。首先是他的偶像牛顿发现的运动定律，第二个是麦克斯韦的电磁定律。然而这两个理论是相互矛盾的。麦克斯韦假设电磁波的速度，正如光速一样，是固定的——每秒钟30万公里的超高速，并且表示这是宇宙的基本事实。 没有比光速度更快的物质。图源：Tumblr 然而，牛顿定律却暗指速度是相对的。汽车的行驶速度为每小时40英里是对静止的观察者而言的。对于以每小时20英里同向行驶的另一辆汽车来说，它的速度只有每小时20英里。而对于以每小时20英里反向行驶的另一辆汽车来说，它的速度是每小时60英里。当应用于光速时，相对速度理论与麦克斯韦的基本理论是相悖的。这让爱因斯坦极其困惑。 这种矛盾让爱因斯坦提出了一个听起来不可思议，却在物理史上具有重大突破意义的观点，相比之下，物理史中的种种理论一点都不惊人了。为了理解这种矛盾并解释时间放缓的原因，我们先来回顾一下爱因斯坦另一个精巧的思维实验，也是爱因斯坦最棒的一个实验。爱因斯坦想象一个人站在月台上，在他的两侧起了两道闪电。这个人刚好站在两道闪电中间，同时看到了两侧的闪电光束。 站台上观察者视角 火车上观察者视角 然而，当火车上的人看到这幅景象并且火车以光速经过时，事情就变得奇怪了。根据运动定律，比起远离火车那一端的闪电，靠近火车这一侧的闪电光芒会更快地到达月台上的人的一侧。月台上和火车上的人对于光速的判断会不同。但是为什么当我们提到光速，根据麦克斯韦理论，就认为它是恒定的，并且称之为宇宙基本事实，而不考虑观测者的运动情况呢？ 为了解释这个矛盾之处，爱因斯坦提出，时间会自己放慢，所以光速维持恒定！相对于月台上的人，时间对火车上的人放慢了。爱因斯坦称之为时间膨胀（time dilation）。 万有引力导致的时间膨胀 爱因斯坦称他的理论为狭义相对论（Special Relativity）。该理论狭义是因为该理论处理的是恒定速度的问题。为了将该理论与物体速度一直在增减的现实世界一致，爱因斯坦需要研究该理论在涉及加速问题时的表现。在致力于概括和解释一般现象的过程中，他发现了时间和地心引力的关系。他将他新发现的这一理论命名为“广义相对论”（General Relativity）。 牛顿相信时间就像箭，永远朝着一个方向勇往直前。而爱因斯坦却在那辆电车上假设，时间随地心引力成反比地变化着。因为这种可塑性，时间应该像空间一样拥有自己的维度。实际上，爱因斯坦认为时间和空间是一种东西——可弯曲的四维网络，而宇宙万物就在这个网络中铺展开来。他称之为空间-时间网（the fabric of space-time）。当爱因斯坦发表该理论之后，他收到了意料之中的质疑，毕竟他的发现如此惊人。 根据广义相对论，物质会拉伸或者收缩空间-时间网，所以物质没有被拉向地球中心，而是被其上的扭曲空间向下推挤。拟合一条曲线，空间-时间的空间曲率会使向下的物质加速，尽管每个点的加速比率并不是一致的。离地球表面越近，地心引力越强，空间曲率越大。 即使技术上不正确，用蹦床作类比是解释因大体积物质而使时空扭曲的最简单的方法。 如果我们越向下地心引力越强，在地球表面的自由落体，也就是点B，比在高海拔的点A时下降速度更快。对于自由落体来说，根据狭义相对论，时间在点B比在点A时慢，因为物体的速度在点B更快。 《星际穿越》剧照。图源：豆瓣电影 什么是时间？ 哪种时间是正确的？好吧，并没有正确的时间一说。爱因斯坦推测没有绝对时间这种东西。时间是相对的，它取决于作用于物体的力系统，也就通常说的参照系。如果运动定律要适用于所有观测者，而不考虑观测者的运动，那么时间就必须要放慢，也就是你移动得越快，你的表比其他表走得就越慢。这也是安妮·海瑟薇（Anne Hathaway）在《星际穿越》（Interstellar）中对马修·麦康纳（Mathew McConaughey）提到的，在登陆遥远星球后，她说：“在这个星球上的一小时相当于地球上的7年。” 《星际穿越》中，当宇航员库珀完成星际之旅，在土星附近空间站再次重逢他的女儿墨菲时，后者已经是老太太了。图源：豆瓣电影 让我们回到爱因斯坦在电车上的思考。时间放慢这个现象是我们原始神经进化的限制吗？或者时间真的放慢了吗？时间放慢意味着什么？时间的变幻莫测迫使我们发出疑问——什么是时间本身？这不仅仅是一个讨厌的哲学生在兄弟会上讨论的问题。自古以来，时间的概念就令自然哲学家和物理学家困惑不已。 时间的基本功能是记录事物发展的先后顺序。然而，400年前，人类按照其他星球围绕地球的运行来决定时间，而非地球围绕其他星球的运行。尽管这种推论的依据是不正确的，但由于昼夜和季节的规律交替，“时间”概念依旧正常运行。正如当你有规律地重复一些活动时，你就有了记录时间的体系。 伽利略就是用这种体系的循环特征来计算运动。没有时间概念是无法描述运动的。然而，这里的时间不是绝对的。即使是牛顿创立的运动定律，也采用了时间的概念，即钟表不是按照一个绝对独立的时间来转动的，而是要与其他钟表保持一致。正是因为同步性，我们建造了很多高度复杂而精确的原子钟。 这种时间概念建立在同步性，或者说是两者同时发生的基础之上。比如火车的到达的瞬间，表盘指针对应的指示。而爱因斯坦的理论表示，这种一致性必然会受到一方运动状态的影响。如果月台和火车上的两人无法就同时性达成一致，他们也就无法就时间达成一致！ 为了理解运动对时间判断的影响，我们来设想一下最简单的时间记录体系。想象一个时间记录仪，它由一个光子和两块有限距离的反光镜构成，光子在两块平行的反光镜间来回弹跳。我们假设光子从一块镜子反弹到另一块镜子用时1秒。现在，在地球上空和表面的点A和点B分别放置一个这样的时间记录仪（之前已经讨论过这一模型），然后让它们记录自由落体的物体经过它们的时间。自由落体上的相似时间记录仪也会以自己的参照体系记录物体经过的时间。它们是如何测量的呢？
观察光子在两反光镜间的反射类似于观察在移动列车中弹跳的网球。对列车上的人来说，球是垂直弹跳的，但是对车窗外静止的人来说，球的运功轨迹是锯齿状的。 当时间记录仪向前移动时，光子在释放后，就会像火车上的球一样，在被镜面反射前看上去比记录仪静止时移动了更长的距离。我们对时间的测定因此被打乱了！而且，记录仪移动得越快，光子反射的耗时越长，由此可见，一秒钟的时间被拉长了！这也是点B的时间比点A的时间要慢的原因（让我们来回顾一下原因，因为重力的关系，物体在点B的下落速度比点A慢）。这个可编程的图示描绘了光子的锯齿形移动轨迹，因而完美地描绘出了时间延迟。
当然，这个差异是微乎其微的。在山顶和在地球表面，时间的差别是纳秒（时间单位，一秒的十亿分之一）级的。然而，爱因斯坦的发现仍旧是破天荒地。地心引力确实会使时间放缓，这也意味着，物体质量越大，其附近的时间流逝越慢。 话虽这么说，如果本篇文章论述的是光的延迟，那么选择光电池钟来证明似乎很方便。然而，时间膨胀影响的是每一个钟表，无论它依据的是最简单的电磁现象还是电磁现象和牛顿运动定律的复杂结合。广义相对论的普遍性确保的正是这一点。实际上，甚至生物进程、时间，都会膨胀。是的……你的头比你的脚要年长一些！ |
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