时间的奥妙 会变魔术的时间(图)


时间(16:9)
(示意图/图片来源:Adobe Stock)

会变魔术的时间

爱因斯坦认为,不存在绝对的时间,也不存在绝对的空间。他提出了一个“时空统一”理论,也就是时间与空间是一体的,叫时空。不能光说时间如何如何,或者空间如何如何,而应该说时空如何如何。物理学家把构成世界物质实在的物质叫做“场”,比如什么温度场、电磁场,而时空就是引力场。

引力场与世界上的其它物质并没有什么区别,它们都是场。世界是多个场的叠加,引力场只是其中一层。和其它场一样,它既不是绝对的,也不是均匀的、固定的,它会弯曲、伸展,还会和其它场相互作用。

引力场,也就是时空,可以像平面一样平滑,这就是牛顿描述的版本。但也可以波动起伏,我们所说的引力波就是如此,它会收缩与膨胀。

这样“光速不变”的迷思就解决了,光速不变,是因为时间在变。那么时间的变化,有没有什么规律呢?

这就不得不提到爱因斯坦的相对论了,爱因斯坦的相对论包括“狭义相对论”和“广义相对论”两个理论。根据狭义相对论,高速移动物体的时间流逝得比静止的要慢。而广义相对论则说,处于强引力场的物体时间流逝得比弱引力场的要慢,也就是说站在地上的人,头部时间的流逝要比脚的时间流逝的要快,因为头离地远,比起脚,引力场要弱一些。这样看来,说时常倒立可以美容美颜,还是有科学依据的。

原子钟实验

1971年,两位较真的科学家约瑟夫‧哈菲尔(Joseph Hafele)和理查德‧基廷(Richard Keating)用数台铯原子钟做了一个实验。

大家知道,这个原子钟相当相当准确的,德国的某种原子钟,1亿8千7百万年内的时间误差为1.7乘以10的负16次方,连一秒都不到。所以,用它来做实验,衡量时间是否变化也就非常可靠了。

哈菲尔和基廷把两个原子钟分别放在两架分别向东和西飞的商务客机上,并对比放在美国海军天文台的原子钟。

之所以一个飞机向东,一个飞机向西,是让顺着地球自转方向的飞机获得更快的相对速度,而逆着地球自转的飞机,自然相对速度就慢了,这样两个飞机之间的速度差距就会变大,实验结果的差别也就更明显。

按照广义相对论,引力场弱的地方时间会变快,按照狭义相对论,速度快的物体时间会变慢。飞机上的原子钟处于“高空高速”,而天文台的原子钟是在“地面静止”,所以爱因斯坦两个相对论的因素都需要考虑进去。

实验结果怎么样呢?往东飞行的飞机上的原子钟比地面上的慢了59纳秒,而往西飞行的飞机上的原子钟比地面上的快了273纳秒。爱因斯坦的广义相对论和狭义相对论同时得到了验证。

其实,我们现在使用的GPS定位系统也是每天都需要根据相对论进行时钟校对。否则,卫星上的原子钟每天会比地面快38微秒。大家别觉得好像不多嘛,如果我们考虑到GPS系统要求纳秒级的时间精度,这个误差就非常可观了。38微秒等于38,000纳秒,如果不加以校正的话,GPS系统每天将累积大约10公里的定位误差。

责任编辑:岳尔

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