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類似電影《星際穿越》,現有大引力黑洞附近的行星一個,上面1小時等於飛船上6小時。現飛船上有A、B兩個宇航員,A吃飯之後1個小時瞬間排洩,B吃飯之後6個小時瞬間排洩。現在兩個人一起吃飯後,A出發前往該行星工作,B在飛船上做同樣的工作,這份工作在飛船上可6個小時做完。當B正好在飛船上做完工作、排洩完,A返回到了飛船。 假設往返時間不計,問題是: 一、A在行星上工作做完了沒有?(如果沒做完,證明A在行星上變成慢動作了?) 二、A在行星上排洩了沒有?(如果沒排洩,證明A在行星上新陳代謝變慢了?) 如果以上兩個判斷成立。 在B看來,他如何理解A的動作和新陳代謝相對於他變慢了?因為引力把A的動作和新陳代謝的分子運動都牢牢吸引住了,很難運動嗎?那為什麼A沒有這種被限制運動的感覺,還是覺得自己行動自如呢? 還是A在行星上的動作發出的光被引力影響,畫面到達到B的眼睛變慢了,所以B才會覺得A變慢了?
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  • 1 # 八方邀戰

    我們不知道時間是什麼。我們知道很多關於時間的事,但我們無法去它理解。時間是最複雜的概念之一,通常人類的注意力都集中在時間上。科學家和哲學家們一直在努力識別和解釋時間的本質。我們對時間的大部分理解都是由愛因斯坦推匯出來的。在這個理論中,時間是第四維度,但我們都知道它在質量上是不同的。我們可以站在空間(選擇的任意座標系)中禁止不動,但我們無法在時間上停滯不前。物理學忽略了這種差異,並用相對論來描述空間和時間間隔的各個方面。

    我們知道引力會影響時間的節奏。

    事實上,當物理學家們使用他們最常用的方式來描述事件和因果關係,即“時空”圖時,他們完全避免了時間流動的事實,或者時間中有一個特殊的時刻,我們稱之為“現在”。“現在”的概念與所有物理學完全不同,儘管愛因斯坦對自己無法理解它感到絕望。他擔心它的真實情況可能在物理學之外。

    阿爾伯特·愛因斯坦被“現在”這個概念所困擾。哲學家魯道夫·卡爾納普在他的自傳中寫道:

    愛因斯坦說“現在”的問題讓他很擔心。他解釋說,“現在”的經驗對人類來說意味著一些特殊的東西,一些與過去和未來本質上不同的東西,但是這個重要的區別在物理中是不存在的,也不可能發生的。在他看來,這種經驗不能為科學所掌握,這似乎是一個痛苦但不可避免的問題。因此,他總結說,“現在”有一些基本的東西,它就在科學的領域之外。

    狹義相對論最早是為恆速運動的物體而提出的。愛因斯坦把時間和空間聯絡在一起,形成了一個四維的實體,他稱之為時空。這樣做的效果是,如果某物改變了空間,它也改變了時間。事實上,如果你能加速到光速,你的時鐘就會停止。愛因斯坦想要建立一個加速理論,而不僅僅是恆速理論,所以他開始致力於廣義相對論。

    愛因斯坦想要建立一個加速理論,而不僅僅是恆速理論,所以他開始致力於廣義相對論。由於引力引起加速度,他希望這個理論包括引力。廣義相對論的計算是非常複雜的,在方程的一邊,不僅有質量,而且有質量的總能量。這就是牛頓定律失敗的原因,牛頓定律只計算質量,而不是質量運動的能量。在等式的另一邊,是時空的彎曲所引起的質量和能量。

  • 2 # 九龍山下閒

    空間扭曲中時間問題

    對於時間在引力場中變慢問題,還得愛因斯坦發現相對論開始談起。為了解決牛頓力學和麥克斯韋電動力學矛盾,愛因斯坦建立狹義相對論。但是,有兩個問題一直使他感到不安:第一個是引力問題,第二個是非慣性系問題。

    受伽利略變換啟示,他想到了“等效原理”,自由下落的參照系“等效於”無引力情況下一個加速度為g勻加速運動的慣性參照系,即引力場中著重力可以等效一個加速度為g勻加速直線運動。

    根據等效原理:任何參考系都是平等的,不管靜止的、運動的、還是在引力場中的,任何一個參考系遵從同樣自然規律的規律,引力場中只是重力產生一個加速度勻加速運動。根據這種假說,非慣性系中的慣性力可以看作是慣性系統中的引力,那麼經過一些適當變換的形式,狹義相對論的相對性原理在非慣性系中也同樣可以適用。於是有了廣義相對論。

    廣義相對論中,他把重力當做一種空間扭曲,當物體在一個扭曲的空間中相相當於一個高速運動,根據尺縮效應,高速行進的物體使時間變慢,那麼強引力場也同樣會使時間變慢。理論上講,因此空間扭曲讓時間變慢。筆者以為這種變面其實也是時間軸一種扭曲。空間變短,而時間軸變長。地面上的時間就比高空中的時間要慢,只不過地球上時間快慢的差異太小了,探測起來極端困難。

    引力能使時間變慢的效應也是非常微弱的,科學家幾乎無法找到具有足夠精度的鐘表來測定它。五十年代末,德國物理學家穆斯堡爾因為在核物理中發現了穆斯堡爾效應,提供了一種將原子核作為極其靈敏的時鐘的方法。1959年,哈佛大學的龐恩得和雷布卡發現可以用它來檢驗廣義相對論。

    大家在光電效應中知道,所有發光的物體都可以看成是一個時鐘。原子會按一定頻率發光,我們測量光的頻率就能測定時間。如果引力能使時間變慢,那麼,引力場內的原子所發出的光就會向低頻端紅移。愛因斯坦預言的這種時間變慢效應被稱為引力紅移。 由於原子不能發射頻率情況複雜,不能傳送頻率完全相同光,因此用光來量度時間還是不夠足夠精,不能用來測量非常微弱的時間變慢效應。

    在穆斯堡爾效應中,放射性同位素能發射頻率非常準確的γ射線,這個精度足以用來測量地球表面的引力紅移。在哈佛大學的傑弗遜物理實驗室中,龐恩得和雷布卡透過實驗發現,頻率的減低同愛因斯坦所預言的完全一致。1965年,龐恩得的再次實驗得出完全相同的結論。引力能使時間變慢的效應終於得到完全證實。

    其實,按照愛因斯坦廣義相對論,在物質存在空間,不僅僅三位空間可以發生扭曲,同時時間軸也會被陷阱拉伸,使時間變慢,因為地球引起這是四維扭曲不是很明顯,人類只好把眼光投入到密度大的中子星,發現在它周圍確實引起四維時空的扭曲。

    在宇宙中黑洞質量很大,當一個物體在它邊緣,強大引力也會讓周圍時空扭曲,在黑洞邊緣物體應該是空間體積上一個最大的,進入黑洞後體積變小,首次變成奇點,然後成條形線條。而時間呢,是由於時空扭曲,光到達你眼睛所需的時間變得無限長。隨著時間的推移,光波變得越來越長,光變得越來越暗淡,最終變成紅外輻射、無線電波,消失在視野裡。

    還有黑洞中奇點,一切物理定律消失,奇點說成是引力將空間和時間彼此分離的地方,然後再將時間概念和空間明確性一一破壞,留下來的是一個任何東西都可能從中出現的量子泡沫。此時,時間變消失了,也就是時間成為一個沒有意義量了!

    (各位看官,不好意思,自習課學生考試時所寫,因為害怕孩子抄襲,斷斷續續寫,不太連貫,稍等修改)

  • 3 # 魅力科學君

    這是一個比較燒腦的問題,我們需要先理解一下在愛因斯坦的相對論中,有關時間的非常抽象的概念。在相對論的體系中,我們所處的時空之所以被稱為“時空”,那是因為時空是由時間和空間共同構成,它們是一體的,是不可分割的,任何脫離時空體系的對時間的描述都是片面的、不準確的。簡單的說,時間對於時空來說,是一個可變的引數,它可以因為因為物體所受的引力以及物體的運動速度而改變。

    (關於運動速度與時間的關係,本人在其它文章中有過比較詳細的解釋,有興趣的小夥伴可以在本人以前的文章中檢視,今天我們單講引力與時間的關係。)

    引力使時間變慢的現象,在相對論中被稱為“引力時間膨脹效應”。廣義相對論指出,引力是因為有質量的物體使周圍的時空發生了所扭曲造成的,一個物體質量越大,造成的時空扭曲就越大,其引力也就越大。而時空的扭曲率決定了時間的流逝速度,其具體表現在時空的扭曲率越大,時間流逝的速度就越慢。關於這一點,可以參照下面的方程式。

    在上圖中,t為被觀測者的時間,T為靜止參考系的時間,G為引力常數,M為產生引力的天體的質量,r為被觀測者離引力中心的距離,c為光速。在這個公式中,我們可以清楚的看到,當引力源的質量M增加時,被觀測者的時間t就會減少,而質量與引力是成正比關係的,這就是引力使時間變慢的理論基礎。

    根據公式計算,在地球上每升高一米,由“引力時間膨脹效應”造成的偏差約為1.09 x 10^-16秒。也就是說在地球上不同高度的人,其感受到的時間是有差別的,例如住在12樓的你(約為44米高),你的時間就比住在一樓上的人快大約一千萬億分之四點八秒。原來我們在上下樓的過程中,一直都在“穿越”,只是這個時間偏差極小而我們感受不到。是不是很奇妙?

    大家不要認為這只是愛因斯坦的異想天開,事實上,這個公式是經過科學界嚴謹的驗證了的,現代的高精度的原子鐘已經將時間定位的非常的精準。1969年,龐德-雷布卡實驗就首次直接證實了“引力時間膨脹效應”的存在。

    雖然這種現象造成的時間偏差極小,但在引力差距足夠大的時候就不能忽略了。拿現在我們非常依賴的GPS定位系統來說吧,因為它的衛星離地面很遠,所受到的地心引力就比地面上要小得多,所以時間上發生的偏差就顯得比較大了,因此它的授時系統就要嚴格的依照相對論進行調整了,不然的話,GPS系統就會因為與地面上的時間偏差而不能進行精準的定位。

    如上所述,從靜止參考系的觀測者的角度來看,當一個物體受到的引力越大,它的時間流逝速度就會越小。根據“引力時間膨脹效應”,當我們處於靜止參考系來觀察一個物體靠近一個引力巨大的天體時,比如說黑洞,當這個物體離黑洞越來越近,時間就會過得越來越慢,由於黑洞的引力近乎無限大,那麼這個物體的時間也就無限的趨近於零。那麼,從我們的角度來看,這個物體似乎就永遠進不了黑洞!

    這些令我們難以想象的場景,也許會真實的發生。宇宙的神秘,遠非現在的我們能真正理解的,我們人類還需要太多太多的時間!

  • 4 # 小宇堂

    首先,在大引力物體旁邊時間變慢是因為時空密度變化的原因。而不是因為引力造成分子運動緩慢所致。

    簡述下題主問題的要點:飛船上的A,B兩人,A將前往黑洞附近的一顆行星上工作,B留在飛船上工作,他們完成工作內容完全一致,預期耗時相同;A的習慣是飯後1小時排洩,B是6小時排洩;據相對論測算,行星因為靠近黑洞時間走得慢,1小時相當於飛船上6小時;兩人飯後開始工作,B 6小時後做完工作排洩完,發現A回來了(往返行星時間忽略)。問:A做完工作了嗎?A排洩了嗎?A的新陳代謝變慢了嗎?A感覺運動受限了嗎(還是行動自如)?是僅僅因為光被引力影響而導致B看到A的動作變慢了嗎?

    題主問題的回答應該是這樣的:

    A在行星上的工作沒有完成,因為他只做了1個小時就返回了,而且他已經排洩完了,他回來發現飛船上已經過去了6個小時,B已經完成了工作。

    B如果在工作的過程中有某種方式能夠看到A在那顆行星上的動作,B確實會看到A的整體運動都是慢動作(包括A的新陳代謝,包括排洩動作哦),這是因為時空被引力扭曲所致。

    A不會覺得自己行動受限,他自己覺得一切正常。

    為什麼會這樣?先來看引力究竟是如何扭曲時空的?

    時空扭曲的情況見下面兩幅動圖:

    大質量物體(諸如黑洞)附近的情況可以這樣來描述:

    時空的網格(等距點和等時點)構成了網格上的節點,但因為引力原因,時空的網格向有質量的物體聚攏,讓質量周圍的時空變得緻密。黑洞周圍時空向黑洞奇點聚攏的劇烈程度遠遠不止上面動圖中示意的那種輕微的扭曲——引力讓大質量物體附近的時空濃縮了。

    但是有質量的物體以自身為參照的體積在稀疏或者濃縮的時空中是不會改變的,也就是自己看到自己沒變,但實際上一個物體從稀疏的時空進入到濃縮的時空中時,它相對於時空網格的體積是變大了。A前往黑洞附近的行星工作,他進入了更高密度的時空之中,相對於B來說,A變成了巨人。但A仍然以自己的身體來度量和看待其他物體的長度,一切似乎都沒有變。可事實是,本來原來在飛船上運動1米,跨過1個時空網格,到了黑洞旁邊的行星上運動一米就會跨過若干個時空網格了。

    光在不同密度的時空中傳播則只會遵循時空網格的軌跡以光速常量運動(光速不變性),於是光還是以固定的速度來爬時空的格子(也就是說光就是那個格子的一種體現),因此光的運動軌跡在橫向上會被時空扭曲形成引力透鏡效應,在縱向上會被引力拉伸形成引力紅移或藍移現象。但是從B的眼睛看來,變成巨人的A並不像巨人,只是動作變慢而已。因為這些畫面的序列來自更高密度的時空,相當於把按一秒鐘100幀錄的電影,拿到了一個每秒只播放30幀的播放器上播放;而讓巨人當演員拍的電影,如果環境比例是一樣的話,我們也看不出他是巨人。

    舉幾個栗子

    科學家們曾估算過,地球地核的年紀要比地殼年輕2.5歲(45億年來就只年輕了這麼點?,有資料誤傳為250萬年);

    太陽核心的核聚變反應會因為巨大的引力相對論效應而相對於其外層變得緩慢(太陽核聚變反應的效率低得讓人掉下巴,還不如爬行動物的新陳代謝率,一個光子估計要幾百萬年才能從太陽內部掙扎出來溫暖我們);

    總結

    請注意,廣義相對論當中引力造成的時間膨脹與狹義相對論中高速運動表現出來(實際上任何運動都會有)的時間膨脹具有不一樣的根源。

  • 5 # 昨夜夢神州

    由於太空中和地面的引力加速度不相等,我們知道F=ma,a不一樣,自然F不一樣。所以你以地面為參考系,地面物體所受引力F(地)﹥大氣層上衛星所受的力F(氣),就像兩個物體運動一樣,受F(地)的物體肯定>受F(氣)的物體。

    那麼時鐘校準到底意味著什麼呢?無論什麼時鐘運動都會受引力影響,因為每個物體都有質量,註定會受引力F影響,就拿時鐘來說,無論齒輪機械鐘、擺鐘、原子鐘都是計時工具。其原理都是運動,都受力影響。

    那麼這種影響到底意味著什麼?它的意義就是由於引力場處處不同,重力加速度也處處不同,註定運動也就不一樣。要讓這無法描述的宇宙有個統一的解,相對論提出光速假設,大家都透過光速標準而運動,宇宙運動就有規律可循了。那麼相對論中時間到底意味著什麼。我們可以類比一下跑道,在環形跑道上,起始點人人不同,但路程卻相等。而時間校準就是給大家劃個一樣路程的起始點跑道。跑道的意義是人為選定的,它並不代表宇宙就是以這起始點為規律,因為這樣的起始點可以任選。

    那麼時間到底是什麼?這裡的時間可以簡單看成特定引力場下不同加速度過程中的路程差值,並以光速對應下的時間。它絕不是一個維度,比如空間三維,它是不變的,不可能受引力而發生改變。時間是永永遠遠伴隨著宇宙變化而運動的,它是意識中的存在,也即是不存在!

  • 6 # 淡漠乾坤

    時間⌚️是關於變化的度量。描述抽象的變化則為抽象的時間,其只是一個關於變化的哲學概念。而反映具體事物的變化是具體的時間,確切地說是物體變化的週期。所謂時間的快慢,實際上就是不同事物變化週期的比較。

    比如,細胞分裂的週期、人的壽命、地球繞太陽執行的週期和原子的半衰期等。

    只要世界是變化的,則時間的概念就是有意義的,其有助於我們比較不同事物變化的快慢和變化週期的長短。

    由於作為封閉體系的物質會對其外部空間產生熱輻射☢️,使量子空間形成熱的梯度分佈。

    所以,當另外一個物體出現時,會因此而受到空間量子的不對稱碰撞。於是,兩物體內外側受到量子空間的壓力是不同的,由此形成的壓力差就是萬有引力。

    由於普朗克常數h是光子的角動量且大於零,說明光子是有質量和體積的。因此,光子在引力場中,也同樣會受到空間量子的不對稱碰撞,從而感受到引力的存在。

    由於空間的存在,在宇宙中任何物體的外在能量都有兩種存在形式,其一是相對於自身的動能,其二是相對於空間的勢能。

    由於光子的質量非常小,以至於其動能遠小於勢能。所以,光子的能量變化主要是其勢能的變化,由弛豫時間即頻率的倒數來度量。這也是導致光速不變的原因。

    於是,當光子離開太陽時,會有其部分勢能轉化為量子空間的能量,表現為其弛豫時間變長了,這就是著名的引力紅移現象。

    所以,光子離開引力源,變化的並不是抽象的時間,也不是光子的壽命;變化的僅僅是描述光子相對於量子空間的能量參量,變化的只是光子與量子空間的相互關係。

    只是因為光子的弛豫時間與時間單位相同,而且因為我們把抽象的時間概念與具體的變化週期相混淆,才使我們產生了光子的時間會因其他物質的存在而改變的誤解。

    因此,就時間概念而言,引力場並不能改變光子的時間,改變的只是光子與空間的相互關係。

  • 7 # 柏客

    我們不知道時間是什麼。我們知道很多關於時間的事,但我們無法去它理解。時間是最複雜的概念之一,通常人類的注意力都集中在時間上。科學家和哲學家們一直在努力識別和解釋時間的本質。我們對時間的大部分理解都是由愛因斯坦推匯出來的。在這個理論中,時間是第四維度,但我們都知道它在質量上是不同的。我們可以站在空間(選擇的任意座標系)中禁止不動,但我們無法在時間上停滯不前。物理學忽略了這種差異,並用相對論來描述空間和時間間隔的各個方面。 事實上,當物理學家們使用他們最常用的方式來描述事件和因果關係,即“時空”圖時,他們完全避免了時間流動的事實,或者時間中有一個特殊的時刻,我們稱之為“現在”。“現在”的概念與所有物理學完全不同,儘管愛因斯坦對自己無法理解它感到絕望。他擔心它的真實情況可能在物理學之外。

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