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  • 1 # 宇宙科學室

    空間站與地球表面上的時間有著很微弱的差距,不過這種差距需要利用光子鍾才能測定出來!

    為什麼空間站與地面上的時間有差別?這與重力對廣義相對論時間流的影響有關!

    不知道大家有沒有看過《星際穿越》這部科幻電影,相信大家都是看過的,在這部電影當中有一個劇情,庫帕帶著女博士和另一位男宇航員去到了一個表面全是水的星球,它們留下了一個面板較黑的男宇航員在空間站中,庫帕三人去到該星球后,庫帕說了一句話:“在這個星球表面可真難移動”。

    再後來與庫帕同行的那位男宇航員就由於巨大的海浪而犧牲在了該星球,而當庫帕和女博士回到了空間站時,這位留在空間站中的面板較黑的男宇航員它的時間卻已經向前推進了20多年,但是庫帕它們也只是在該星球表面待了近4個小時,為什麼會這樣呢?

    其實這就是重力或者說引力對於時間流的影響,瞭解重力如何影響時間的流逝,請考慮以下因素。 如果您在墜落的盒子裡, 您會感覺好像重力好像是減少了許多,其實並沒有,這只是失重現象。 另一方面,如果盒子在足夠的深處並且盒子會向著其上方加速,那麼在盒子中就會產生超重現象,而在盒子裡,一切似乎都因重力的效果而朝著兩個不同的方向以不同的方式掉落。

    在這兩種情況下,框內的人都會看到一種情況,好像它所在的盒子靜止不動。愛因斯坦相對論的基本原理之一是觀察者相對於一個與自己一同運動的物體來說,觀察者無法分辨自己到底是靜止的還是運動的。

    微小放大實驗可大概模擬重力對廣義相對論時間流的影響,不同高度的光脈衝時間差也就是重力對廣義相對論時間流的影響

    假設我們試圖透過傳送光脈衝(光子脈衝)來違反愛因斯坦這一原理。假設如下:從盒子頂部到盒子底部的光線或光脈衝,我們測量第一個光脈衝離開盒子頂部的時間與第二個脈衝離開盒子的頂部的時間。另外同時測量第一個脈衝到達盒子底部的時間與第二個脈衝到達盒子的底部的時間。

    如果盒子靜止不動, 那麼盒子底部的光脈衝之間的時間將是精確等於盒子頂部光脈衝之間的時間。就算這個盒子以固定速度的執行,則這個結果仍然適用。 但是,如果盒子在加速,那麼就會導致盒子底部的光脈衝之間的時間比盒子靜止不動時盒子底部的光脈衝之間的時間更短一些。並且這個時間不等於盒子頂部出現的這兩個光脈衝之間的時間。

    因此,似乎這將允許框中的人能夠告訴自己一個結果:無論他是否動彈,都違反了愛因斯坦的相對論。 但是,如果我們選擇認為此盒子是處於靜止不動的狀態的,那麼我們也將相信存在著引力場(重力),而這個引力場將會影響時間的流逝。

    事實證明,引力場以正確的方式去影響時間流,以防止我們無法判斷這個盒子是否在加速。 如果我們選擇相信這個盒子仍然是處於靜止狀態,我們還需要相信存在著引力場,這是剛剛說過的論題。 而引力場將會在盒子底部引起時間比盒子頂部的時間慢。 這將導致盒子底部的光脈衝之間存在的時間小於盒子頂部光脈衝之間的時間。兩個光脈衝離開盒子頂部之間的時間間隔越短,那麼盒子底部光脈衝之間的時間與盒子頂部光脈衝之間的時間差就會越短。 因此,如果我們認為盒子處於靜止不動的狀態,我們將獲得與我們相信盒子處於正在加速狀態的結果完全相同。

    引力場只存在於某一個角度:即存在於認為盒子處於靜止不動的狀態的人的角度。現在,從以下角度來看,其實引力場的不存在的於外面認為盒子正在處於加速狀態的人的角度(注意:只是觀點,並不代表引力場真的不存在),由於盒子在加速,從盒子外面的人的角度來看,盒子底部的光脈衝之間的時間小於盒子頂部光脈衝之間的時間。

    而由於重力對時間流的影響,從盒子裡面的人的角度來看,盒子底部的光脈衝之間的時間也將小於盒子頂部光脈衝之間的時間儘管如此,由於各種原因,在兩種情況下,都是盒子底部的光脈衝之間的時間略短於盒子頂部的光脈衝之間的時間。

    因此,如果我們認為盒子靜止不動,那麼我們將會得到與上面假設所得結果的一個相同的結果,就像我們認為該盒子正在加速一樣。所以“無法判斷盒子是否在移動”對與愛因斯坦的相對論來說並沒有沒有受到什麼影響。

    假設我們在某個重力場的強度在任何地方都是相同的空間區域,沿重力場方向分開的時鐘, 將以不同的速度執行,隨著我們沿重力場方向增加兩個時鐘之間的距離,兩個時鐘之間執行速率的差異會增加,如果我們增加引力場的強度,那麼兩個時鐘之間的執行速率的差異也隨之增加

    在黑洞附近,引力場強度變得很大,黑洞周圍的強度對於我們來說是無法想象的,而其事件視界周圍強大的引力場也將導致靠近靠近黑洞附件或者存在於事件視界周圍的觀察者的時間完全停止。

    所以以光脈衝來測定不同高度的空間區域之間的時間差異就能夠體現出為什麼空間站的時間與地球表面的時間有微弱的差距,雖然這種差距肉眼根本無法看出,但是仔細深入會發現重力的確對廣義相對論時間流有所影響!

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