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科學

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  • 1 # 賽先生科普

    這個問題如果真得仔細答來,那得需要從廣義相對論的開頭開始講起,而在此之前還需要了解狹義相對論,畢竟引力這個東西,在相對論理論被解釋為時空彎曲,而時空則是相對論最核心的概念。

    想要通過一篇問答來仔細講準確廣義相對論是不現實的,因此我們可以先從狹義相對論開始入手,畢竟狹義相對論中也是存在鐘慢(也就是時間變慢)效應的,而狹義相對論只是廣義相對論在時空平直時的特殊形式,因此了解狹義相對論十分有必要。

    狹義相對論的兩大基本前提:狹義相對性原理和光速不變原理。

    狹義相對性原理告訴我們物理規律在任意慣性系內都具有相同形式,而光速不變原理則說明,真空光速在任意慣性系內都相同。有了這兩條,就能推匯出一個被稱為“洛倫茲變換”的東西,注意一點,洛倫茲變換成立的前提是兩個慣性系之間,這也就是為什麼很多人認為狹義相對論只能處理慣性系之間問題的原因。

    但實際上,隨著相對論的進一步發展,科學們認為這樣的方式過於狹隘,所以將狹義相對論與廣義相對論的界限定為了時空是否彎曲,也就是說:即便是非慣性系問題,只要背景時空是平直的,那麼仍舊屬於狹義相對論的範疇,而上段所講的洛倫茲變換也不能代表狹義相對論的全部核心(洛倫茲變換隻是一個更加普遍形式的特例)

    但我們仍以洛倫茲變換為例,在此種情況下,我們可以推匯出一個被稱為動鍾變慢的效應,也就是相對於一位靜止觀測者來說(所謂靜止觀測者,也就是指觀測者位於慣性系某點不動),移動的物體,比如一個時鐘,它的時間過的要比觀測者自身要慢。

    比如一個經常被提到的例子,雙胞胎兄弟,哥哥去太空飛行,弟弟在地球等待,試問哥哥回來後,二人年齡相差幾何?

    答案是哥哥比弟弟年輕,因為哥哥哥哥存在加速度(指四維加速度),不是慣性系,所以慣性系平權就談不上了,因此不會出現弟弟看哥哥,認為哥哥時間慢,哥哥要比自己年輕;而哥哥看弟弟,認為弟弟運動,時間慢,弟弟比自己年輕的矛盾結論了。

    開頭第二段也說了,狹義相對論是廣義相對論的特殊形式,所以廣義相對論中也應存在一個鐘慢效應,而廣義相對論又是一個描述引力的理論,因此自然和時空彎曲分割不開,所以有了一個被稱為引力鐘慢的效應。

    這個效應簡單來說,就是時空彎曲的越厲害,該處的時間就流逝的越慢。比如在地球表面,不同高度處,因為引力勢不同,導致各處時間流逝的也不一致,典型的例子就是GPS衛星的相對論時間修正。

    最後補充一點:時空彎曲(引力)必然伴隨潮汐效應,而加速度等效出來的引力場,不存在潮汐效應,因此我們不能說加速物體的時間變慢是引力所致,也就是雙生子問題不存在使用廣義相對論的前提。

    期待您的點評和關注哦!

  • 2 # 董加耕

    當你說,引力場中的時間會變慢時,首先要弄清楚,一,時間是怎麼測量出來的?二,時間的變化又是怎麼測量出來的?

    時間測量,還不簡單,不就是用時鐘來測量嗎?我再補充一句,物理學上的標準時鍾,被物理學家們規定為一個特定的銫原子的週期性振動(輻射),這個銫原子在給定次數的振動所持續的時間,就是1秒。

    現在討論第二個問題,請問,時間變慢是指這個標準時鐘的走時變慢了嗎?如果這個標準時鐘的走時變慢了,請問,怎麼測量?你有一個比這個標準時鍾更精確的時鐘?誰承認你這個時鐘更標準?假設你說服了大家,所有人都承認你手上這個時鐘是世界上最標準的時鐘,只有你這個時鐘測量出的時間才是世界上最標準的時間,那麼請問,原來的那個時鐘,原來作為標準,現在大家又不承認是標準的那個銫原子鐘,所測量出的時間,還能是標準的時間嗎?它的變慢,還能被說成是時間變慢了嗎?對於這個現在大家新公認的標準時鍾,它會變慢嗎?如果會,又是以誰為標準測量出來的?如果會,它還能是標準時鍾嗎?它的變慢還能是時間變慢嗎?

    你說,引力場中的時間變慢,是相對於無引力場中的時間而言的。這實際上是說,你用一個無引力場中的標準時鍾,作為你測量的標準,去測量位於引力場中的另一個標準時鍾,發現引力場中的那個標準時鍾變慢了。不討論你具體是怎麼進行測量的,假設你確實有辦法不用把A鍾拿到引力場中,就能測量出引力場中的B鍾變慢了,也就是說,A鍾也能用於引力場中的時間測量,你為什麼不把A鍾也作為引力場中的標準時鍾,不把A鐘的走時,作為引力場中的標準時間呢?這樣,引力場的區域和非引力場的區域,就有了一個統一的標準時間,這不更方便嗎?

    你可能會這樣說,儘管引力場和非引力場可以有一個統一的標準時間,但引力場中的所有的物質運動變化過程都變慢了,我們把它說成是引力場中的時間變慢了,有何不可?且慢,我們現在能夠肯定的只是,也就是我們現在實際測量到的只是,引力場中的那個時鐘B,它的走時過程,它的運動過程變慢了,至於其它的物質運動變化過程,是不是也變慢了,也與時鐘B同步的變慢了,還不能肯定,這需要對所有其它的物質運動變化過程進行實際測量才能確定。

    即使引力場中的所有物質運動變化過程,與時鐘B同步的變慢了,那也只是物質運動變化過程的變慢,不是標準時間的變慢,而且,引力場中的物質運動和變化過程的變慢,是以一個恆定不變的標準時鍾,在引力場中也恆定不變的標準時鍾,即A鍾,為測量的標準,所測量出來的。如果把引力場中的物質運動變化過程的變慢說成是時間變慢,那就等於混淆了物質運動變化過程的測量的結果,和測量時所依據的標準,就會產生嚴重的邏輯混亂,例如,時間就可以彎曲,你就可以回到從前,殺死從前的你。

    引力場使物質運動變化過程變慢,如同引力場使運動的物體加速或減速一樣,是引力場對物質運動變化過程的影響,不是時間變慢,而且,引力場中的物質運動變化過程的變慢,正是以一個恆定不變的標準時鍾,在引力場中也恆定不變的標準時鍾,為測量的標準,所測量出來的。

  • 3 # 看鬆讀畫軒

    一部由加州理工學院理論物理教授基普·索恩(Kip Thorne)兼任製片人的好萊塢大片《星際穿越》(Interstellar)中,講到宇航員喬·庫珀與兩個同伴一起,在一個叫做米勒的行星上僅待了3個小時,這是一顆圍繞著巨型“卡岡都亞”黑洞運動的行星。由於行星軌道離黑洞太近,時空彎曲的厲害,時間走得極為緩慢。當庫珀與兩位同伴回到“永恆號”飛船上時,第四位宇航員尼古拉·羅米利已經變老了23歲。

    首先,廣義相對論的核心是等效原理(Einstein Equivalence Principle),其基本含義是重力場與以適當加速度運動的參考系是等價的。在適當單位制條件下,引力品質與慣性品質成正比例並且相等,引力與加速度之間沒有區別。

    假設你走進一間無窗戶的小屋,你被地球引力拉到地板上。此時,想象你的朋友走進一艘飛船的相似房間裡,飛船正在太空向上加速(a=g)運動,但他同樣被慣性力拉到地板上。這是因為整個房間作為飛船的一部分在向上做加速運動。

    第二,廣義相對論預言了引力紅移(Gravitational Redshift)。由於品質扭曲了時空,強引力場中天體發射的電磁波波長會變長。

    引力紅移的經典解釋是:一個由品質扭曲的時空結構中,光的空間振動介質的密度變大,導致振動頻率變化。接近引力源處,時間會膨脹變慢。

    上世紀60年代,哈佛大學的一個實驗團隊在傑弗遜物理實驗室(Jefferson Physical Lab)通過精密測量,已經驗證了這個光譜頻率改變的引力紅移預言。

  • 4 # 物原愛牛毛1

    為什麼引力會使時間變慢?廣義相對論的等效原理說的很清楚,引力場局域等效於物體運動的加速度。而在狹義相對論中,物體高速運動會產生“鐘慢尺縮”效應,鐘慢就是時間變慢,不過這個效應是個慣性系中的觀察者效應,只有通過變速進入不同的參考系(時空),即物體存在加速度,時間才會真正地變慢。既然引力場等效於運動加速度,因此引力場同樣會使時間真正變慢。

  • 5 # 小宇堂

    這個根本原因應該從廣義相對論的角度來解釋——因為引力的本質是時空的扭曲。

    是怎麼樣一種扭曲?

    首先,必需說不是下面這種。

    網上不少科普文使用上面這種圖示來示意引力造成的彎曲其實是一種誤導。

    引力造成的扭曲應該是這樣的:

    從上面的示意當中可以看出來,引力造成的時空扭曲實際上是時空的密度的變化——在地球周圍時空變得更密了。如果讓天體動起來就是下面這種狀況。

    所以,實際上引力是時空的密度變化所致——不僅是空間變密了,時間也變密了。可以用時空的網格來描述這種疏密變化的度。這些網格會隨著引力而連續改變(不會斷片),並且網格會向天體的質心扭曲。

    時間為什麼會變慢?

    個人提出兩種解釋的途徑(這只是簡單的邏輯推測,並未經實驗證實,請讀者注意):

    從時空網格密度的角度來解釋

    我們假設一個只有地球的時空來說明這個問題,這樣情況會單純一點:

    前面已經解說了,在靠近地球的地方網格更密,我們可以認為物體(比如一個人)的度量的尺寸不會因為時空網格的變密而變小,於是等效於時空網格通過物體的量更多了(因為網格更密),因此在大品質的地球附近通過物體的時空網格更多——這意味著通過的時間也更多了。而遠離地球的物體,其度量尺寸沒有變,但所處位置的時空網格更稀疏,因此通過的空間和時間的量都更少。

    如此相對於靠近地球的物體來說,遠離地球的物體以自己的尺寸來度量時間和空間的流逝量的時候,實際上就要少一些。通俗點說就是,靠近地球的物體以自己所認為的速度勻速運動1秒鐘(或者移動1米),對於遠離地球物體來說實際上是需要大於1秒(或者移動時大於1米)才能實現的。再換個角度說就是地球附近的1米在遠處實際上是大於1米的。因為整個時空的網格(術語叫“度規”)在品質附近“濃縮”了。

    上圖:對於在引力場當中的不同位置的人,雖然她感覺自己的尺寸沒有改變,但處於這些不同密度的時空當中運動時,相對的時空流逝量是不同的,在密度高的時空裡面做同樣運動的耗時要相對比在稀疏的時空要少一些。注意那個女孩腳下的波形,光在不同密度的時空下不會改變傳播速度,但是會改變波長。時空稀疏了,光波就被拉長了。所以光的紅移或者藍移可以度量時空被拉伸變得稀疏或者壓實變得緊密。

    這種“濃縮”效應也是引力透鏡(光的傳播路徑被向質心擠壓)和光的引力紅移(光在時空的梯度中逆向傳播)的原因——實際上光就是很好的度量時空網格的一種東西,光的運動就是沿著時空的網格線在運動。如果遇到黑洞,那麼光也會向其內部運動,這意味著時空的網格也向黑洞內部延伸(而且是無限延伸)。

    從等效性的角度來解釋

    愛因斯坦的“強等效原理”認為:引力與加速度等效,或者說沒有證據證明他們不等效(實際上這是慣性品質與引力品質等效性的推論)。那麼我們就可以把引力認為是一種加速運動,從而認為時空在加速向物體的質心內塌陷。如此一來就好解釋時間變慢的問題了。

    上圖:引力品質與慣性品質“神祕地”等效。實際上可以解讀為時空在以重力加速度向內蹋縮運動(黑洞不就是這種情況的極端嗎?)。

    我們還是拿上面的“孤獨地球”場景來做描述,方便理解:

    根據強等效性原理,前述情況相當於靠近地球的物體的加速度要大於遠離地球的物體的加速度,那麼實際上這兩個物體之間必然存在著等效的速度差,也就是說或它們之間的時空距離等效於會不斷增加,那麼它們之間就存在一個等效的相對速度。這裡就可以再利用狹義相對論的結論,如果兩個物體存在相對速度,那麼它們之間就會有時間流逝速度的差異,並且這個時間膨脹的量符合洛倫茲變換所得出的差值。顯然那個靠近地球的物體的等效相對速度是大於那個遠離地球的物體的,因此根據狹義相對論的等效性原理,遠離地球的物體會觀察到靠近地球的物體的時間流失更慢。

    如此,通過把廣義相對論的結論轉換到狹義相對論的體系下,利用被“預設”的引力與加速度等效性也可以解釋引力導致時間變慢的原理。

    總結

    我們首先解釋了通常對時空扭曲的一種誤解,然後基於正確的理解,我們可以有兩種方式來解釋引力導致時間變慢的原理。

  • 6 # 宇宙觀察記錄

    “時間是相對的”,這句話在愛因斯坦早期的狹義相對論中就得到了數學證明,雖然該結論看上去很“反直覺”,但後來塔頂和塔基的原子鐘以及現在衛星上的原子鐘都表明了在“不同速度或者不同引力強度下,時間的流逝速度也不盡相同”

    引力本身就是由品質扭曲時空產生的一種現象,因此在品質極大的天體周圍,時間流逝速度要比一般環境更慢,最典型的例子就是《星際穿越》卡岡圖雅黑洞周圍的星球,主角一行人前往那顆星球前測定的時間膨脹強度是“一小時七年”,也就是說在那顆星球上待一小時地球上就會過去七年。 比“引力使得時間變慢”更準確的應該是“品質扭曲時空使得時間變慢”

  • 7 # 宇宙探索

    如果說到本質,就是因為光速不變原理,愛因斯坦狹義相對論的基本假設,光速不變是狹義相對論的基石,而狹義相對論又是廣義相對論的基石!

    但是如果說是因為光速不變原理,可能很多人並領情,畢竟要想從光速不變原理推匯出引力使時間變慢是很複雜的過程,一時半會很難說清楚!

    引力和慣性力在區域性是不可分的!

    這是什麼意思?很好理解,假設你乘坐一艘飛船以9.8的加速度飛行,你閉上眼睛是分辨不出到底是在地球上還是在飛船上,而且你在飛船上做的任何事情與在地球上的感覺都是一樣的!也就是說引力與加速度可以是等效的!

    了解狹義相對論的都應該明白有一個著名的“雙生子佯謬”,其中就有一個細節,如果你在極端的時間裡(瞬間)加速到亞光速,你本身的時間流逝為零,但是你加速到亞光速的一瞬間,遙遠星球的人的時間會一下子流逝數十年之久,具體流逝多少取決於你最終加速的速度大小!也就是說,你的時間變慢了(相對)!

    而引力和加速度又是等效的,所以極強的引力其實等效於極強的加速度,所以引力會讓時間變慢!

    其實廣義相對論的核心就是時空的扭曲,而由於光速不變,時空的扭曲本身就意味著時間流逝速度變慢,這是最直觀的理解!事實上加速度就相當於扭曲了時空,產生了引力的效果!

    注意,這裡的時間變慢是相對的,不是絕對的,每個人的固有時是不變的,這種固有時的對比也沒有意義,因為位於兩個完全不同的時空,座標系不同就沒有任何對比的意義!

  • 8 # 刁博

    狹義相對論有一條基本原理叫相對性原理,意思是物理規律在所有的慣性系中具有相同的表現形式。愛因斯坦沒有止步於狹義相對論,因為物理學中有慣性系也有非慣性系,狹義相對論並不能深入到非慣性系中。1911年愛因斯坦在進一步思考的時候有了他“一生中最有價值的想法”,那就是一個人在做自由落體運動時不會感到有重力作用。1915年愛因斯坦在此基礎上給出了“等效原理”,即引力場等同於以適當加速度運動的參考系。處在引力場中的物體如果選擇合適的參考系,它的運動方程中就不會有引力項。這樣狹義相對論的相對性原理就可以推廣到所有的參考系,即物理規律在所有的參考系中都有相同的表現形式。在此基礎上愛因斯坦給出了廣義相對論。

    若是到了很強的引力場附近,引力導致的時間變慢會非常明顯。一個典型的例子就是黑洞,黑洞附近有強大的引力,如果一位宇航員不幸墜向黑洞的視界內部,黑洞強大的引力會讓地球上的人感覺到宇航員的時間變得極其慢,即使經過億萬年也不會墜入黑洞的視界,好像固定在了黑洞視界處似的。而在宇航員看來,他的時間並沒有變慢,自己已經做好了撞入黑洞內部奇點的準備。一些科幻片就經常借用黑洞附近的時間變慢進行各種幻想,其背後的理論依據就是廣義相對論的強引力會使時間變慢。

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