《星際穿越》劇照：在黑洞附近的“米勒水星”，其重力是地球的130%。
利維坦按：根據(jù)時(shí)間膨脹效應(yīng)，我們可以設(shè)想太空人在相對(duì)于地球上的觀察者以極高速運(yùn)動(dòng)的飛船內(nèi)時(shí)，對(duì)于地球觀察者而言，盡管地球已經(jīng)經(jīng)歷了很長(zhǎng)的歲月，飛船內(nèi)的人卻沒(méi)什么老化，因?yàn)闃O大的速度會(huì)使飛船（和里面的所有物體）的時(shí)間減慢。也就是說(shuō)，地球上的觀察者會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)飛船的時(shí)鐘走了一圈時(shí)，地球上的時(shí)鐘已經(jīng)轉(zhuǎn)了許多圈了。只要速度夠快，這個(gè)效應(yīng)便會(huì)明顯地顯示出來(lái)。比方說(shuō)，對(duì)地球上的觀察者而言，可能都過(guò)了24小時(shí)了，太空旅行者的手表卻只走了2個(gè)小時(shí)。
不過(guò)，在今天的航天任務(wù)中，時(shí)間膨脹并不是考慮的因素之一，因?yàn)槟壳疤诊w船的速度相對(duì)于光速實(shí)在是太小了。另外一個(gè)太空飛行會(huì)涉及到的時(shí)間膨脹效應(yīng)情況，是接近一個(gè)有著極大引力的地方，比如黑洞，那里會(huì)有強(qiáng)大的引力時(shí)間膨脹效應(yīng)：
史瓦西半徑（Schwarzschild radius）是任何具重力的質(zhì)量之臨界半徑，在天文學(xué)上，當(dāng)一個(gè)天體的半徑低于史瓦西半徑時(shí)，便會(huì)成為黑洞。在物理學(xué)和天文學(xué)中，尤其在萬(wàn)有引力理論、廣義相對(duì)論中，它是一個(gè)非常重要的概念。
文/Akash Peshin
譯/及河嶠岳
校對(duì)/Anthony
原文/www.scienceabc.com/nature/universe/time-dilation-why-does-gravity-slow-down-the-flow-of-time.html
本文基于創(chuàng)作共同協(xié)議（BY-NC），由及河嶠岳在利維坦發(fā)布
1905年的春天，離時(shí)鐘塔（Zytglogge Tower，一座為瑞士首都伯爾尼掌控時(shí)間的恢弘鐘塔）幾英里以外的地方，愛(ài)因斯坦在回家途中沉默地登上一輛有軌電車。愛(ài)因斯坦當(dāng)時(shí)只是一名專利審查員，他一結(jié)束工作，就迫不及待地投入到對(duì)宇宙真相的深思中。我們會(huì)嘲笑我們自己的奇思妙想是白日夢(mèng)，但是對(duì)于愛(ài)因斯坦的，我們卻總是慎重地稱之為思維實(shí)驗(yàn)——這得益于愛(ài)因斯坦極致的才智。正是在這輛電車上碰撞出的思維火花，徹徹底底地改變了現(xiàn)代物理學(xué)。
雜貨街（雜貨巷）和時(shí)鐘塔，伯爾尼，瑞士。圖源：Daniel Schwen/Wikimedia Commons
愛(ài)因斯坦想象著，如果這列電車能夠以光速行駛，將會(huì)發(fā)生什么?？粗矍暗幕趾腌娝?，愛(ài)因斯坦意識(shí)到，如果他的移動(dòng)速度達(dá)到每秒30萬(wàn)公里，那么現(xiàn)在一絲不茍轉(zhuǎn)動(dòng)著的表針，將會(huì)近乎完全靜止。同時(shí)，愛(ài)因斯坦知道，鐘塔背后的指針，其實(shí)還在照常轉(zhuǎn)動(dòng)——時(shí)間仍舊正常流逝。然而對(duì)光速移動(dòng)的愛(ài)因斯坦來(lái)說(shuō)，時(shí)間卻慢了下來(lái)。他由此推斷，你在空間維度中移動(dòng)速度越快，在時(shí)間維度中耗時(shí)越慢。這怎么實(shí)現(xiàn)的呢？
愛(ài)因斯坦的困境
愛(ài)因斯坦深受兩位偉大物理學(xué)家的研究成果的影響。首先是他的偶像牛頓發(fā)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)定律，第二個(gè)是麥克斯韋的電磁定律。然而這兩個(gè)理論是相互矛盾的。麥克斯韋假設(shè)電磁波的速度，正如光速一樣，是固定的——每秒鐘30萬(wàn)公里的超高速，并且表示這是宇宙的基本事實(shí)。
沒(méi)有比光速度更快的物質(zhì)。圖源：Tumblr
然而，牛頓定律卻暗指速度是相對(duì)的。汽車的行駛速度為每小時(shí)40英里是對(duì)靜止的觀察者而言的。對(duì)于以每小時(shí)20英里同向行駛的另一輛汽車來(lái)說(shuō)，它的速度只有每小時(shí)20英里。而對(duì)于以每小時(shí)20英里反向行駛的另一輛汽車來(lái)說(shuō)，它的速度是每小時(shí)60英里。當(dāng)應(yīng)用于光速時(shí)，相對(duì)速度理論與麥克斯韋的基本理論是相悖的。這讓愛(ài)因斯坦極其困惑。
這種矛盾讓愛(ài)因斯坦提出了一個(gè)聽起來(lái)不可思議，卻在物理史上具有重大突破意義的觀點(diǎn)，相比之下，物理史中的種種理論一點(diǎn)都不驚人了。為了理解這種矛盾并解釋時(shí)間放緩的原因，我們先來(lái)回顧一下愛(ài)因斯坦另一個(gè)精巧的思維實(shí)驗(yàn)，也是愛(ài)因斯坦最棒的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。愛(ài)因斯坦想象一個(gè)人站在月臺(tái)上，在他的兩側(cè)起了兩道閃電。這個(gè)人剛好站在兩道閃電中間，同時(shí)看到了兩側(cè)的閃電光束。
站臺(tái)上觀察者視角
火車上觀察者視角
然而，當(dāng)火車上的人看到這幅景象并且火車以光速經(jīng)過(guò)時(shí)，事情就變得奇怪了。根據(jù)運(yùn)動(dòng)定律，比起遠(yuǎn)離火車那一端的閃電，靠近火車這一側(cè)的閃電光芒會(huì)更快地到達(dá)月臺(tái)上的人的一側(cè)。月臺(tái)上和火車上的人對(duì)于光速的判斷會(huì)不同。但是為什么當(dāng)我們提到光速，根據(jù)麥克斯韋理論，就認(rèn)為它是恒定的，并且稱之為宇宙基本事實(shí)，而不考慮觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)情況呢？
為了解釋這個(gè)矛盾之處，愛(ài)因斯坦提出，時(shí)間會(huì)自己放慢，所以光速維持恒定！相對(duì)于月臺(tái)上的人，時(shí)間對(duì)火車上的人放慢了。愛(ài)因斯坦稱之為時(shí)間膨脹（time dilation）。
萬(wàn)有引力導(dǎo)致的時(shí)間膨脹
愛(ài)因斯坦稱他的理論為狹義相對(duì)論（Special Relativity）。該理論狹義是因?yàn)樵摾碚撎幚淼氖呛愣ㄋ俣鹊膯?wèn)題。為了將該理論與物體速度一直在增減的現(xiàn)實(shí)世界一致，愛(ài)因斯坦需要研究該理論在涉及加速問(wèn)題時(shí)的表現(xiàn)。在致力于概括和解釋一般現(xiàn)象的過(guò)程中，他發(fā)現(xiàn)了時(shí)間和地心引力的關(guān)系。他將他新發(fā)現(xiàn)的這一理論命名為“廣義相對(duì)論”（General Relativity）。
牛頓相信時(shí)間就像箭，永遠(yuǎn)朝著一個(gè)方向勇往直前。而愛(ài)因斯坦卻在那輛電車上假設(shè)，時(shí)間隨地心引力成反比地變化著。因?yàn)檫@種可塑性，時(shí)間應(yīng)該像空間一樣擁有自己的維度。實(shí)際上，愛(ài)因斯坦認(rèn)為時(shí)間和空間是一種東西——可彎曲的四維網(wǎng)絡(luò)，而宇宙萬(wàn)物就在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中鋪展開來(lái)。他稱之為空間-時(shí)間網(wǎng)（the fabric of space-time）。當(dāng)愛(ài)因斯坦發(fā)表該理論之后，他收到了意料之中的質(zhì)疑，畢竟他的發(fā)現(xiàn)如此驚人。
根據(jù)廣義相對(duì)論，物質(zhì)會(huì)拉伸或者收縮空間-時(shí)間網(wǎng)，所以物質(zhì)沒(méi)有被拉向地球中心，而是被其上的扭曲空間向下推擠。擬合一條曲線，空間-時(shí)間的空間曲率會(huì)使向下的物質(zhì)加速，盡管每個(gè)點(diǎn)的加速比率并不是一致的。離地球表面越近，地心引力越強(qiáng)，空間曲率越大。
即使技術(shù)上不正確，用蹦床作類比是解釋因大體積物質(zhì)而使時(shí)空扭曲的最簡(jiǎn)單的方法。
如果我們?cè)较蛳碌匦囊υ綇?qiáng)，在地球表面的自由落體，也就是點(diǎn)B，比在高海拔的點(diǎn)A時(shí)下降速度更快。對(duì)于自由落體來(lái)說(shuō)，根據(jù)狹義相對(duì)論，時(shí)間在點(diǎn)B比在點(diǎn)A時(shí)慢，因?yàn)槲矬w的速度在點(diǎn)B更快。
《星際穿越》劇照。圖源：豆瓣電影
什么是時(shí)間？
哪種時(shí)間是正確的？好吧，并沒(méi)有正確的時(shí)間一說(shuō)。愛(ài)因斯坦推測(cè)沒(méi)有絕對(duì)時(shí)間這種東西。時(shí)間是相對(duì)的，它取決于作用于物體的力系統(tǒng)，也就通常說(shuō)的參照系。如果運(yùn)動(dòng)定律要適用于所有觀測(cè)者，而不考慮觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)，那么時(shí)間就必須要放慢，也就是你移動(dòng)得越快，你的表比其他表走得就越慢。這也是安妮·海瑟薇（Anne Hathaway）在《星際穿越》（Interstellar）中對(duì)馬修·麥康納（Mathew McConaughey）提到的，在登陸遙遠(yuǎn)星球后，她說(shuō)：“在這個(gè)星球上的一小時(shí)相當(dāng)于地球上的7年?！?/strong>
《星際穿越》中，當(dāng)宇航員庫(kù)珀完成星際之旅，在土星附近空間站再次重逢他的女兒墨菲時(shí)，后者已經(jīng)是老太太了。圖源：豆瓣電影
讓我們回到愛(ài)因斯坦在電車上的思考。時(shí)間放慢這個(gè)現(xiàn)象是我們?cè)忌窠?jīng)進(jìn)化的限制嗎？或者時(shí)間真的放慢了嗎？時(shí)間放慢意味著什么？時(shí)間的變幻莫測(cè)迫使我們發(fā)出疑問(wèn)——什么是時(shí)間本身？這不僅僅是一個(gè)討厭的哲學(xué)生在兄弟會(huì)上討論的問(wèn)題。自古以來(lái)，時(shí)間的概念就令自然哲學(xué)家和物理學(xué)家困惑不已。
時(shí)間的基本功能是記錄事物發(fā)展的先后順序。然而，400年前，人類按照其他星球圍繞地球的運(yùn)行來(lái)決定時(shí)間，而非地球圍繞其他星球的運(yùn)行。盡管這種推論的依據(jù)是不正確的，但由于晝夜和季節(jié)的規(guī)律交替，“時(shí)間”概念依舊正常運(yùn)行。正如當(dāng)你有規(guī)律地重復(fù)一些活動(dòng)時(shí)，你就有了記錄時(shí)間的體系。
伽利略就是用這種體系的循環(huán)特征來(lái)計(jì)算運(yùn)動(dòng)。沒(méi)有時(shí)間概念是無(wú)法描述運(yùn)動(dòng)的。然而，這里的時(shí)間不是絕對(duì)的。即使是牛頓創(chuàng)立的運(yùn)動(dòng)定律，也采用了時(shí)間的概念，即鐘表不是按照一個(gè)絕對(duì)獨(dú)立的時(shí)間來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)的，而是要與其他鐘表保持一致。正是因?yàn)橥叫?，我們建造了很多高度?fù)雜而精確的原子鐘。
這種時(shí)間概念建立在同步性，或者說(shuō)是兩者同時(shí)發(fā)生的基礎(chǔ)之上。比如火車的到達(dá)的瞬間，表盤指針對(duì)應(yīng)的指示。而愛(ài)因斯坦的理論表示，這種一致性必然會(huì)受到一方運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。如果月臺(tái)和火車上的兩人無(wú)法就同時(shí)性達(dá)成一致，他們也就無(wú)法就時(shí)間達(dá)成一致！
為了理解運(yùn)動(dòng)對(duì)時(shí)間判斷的影響，我們來(lái)設(shè)想一下最簡(jiǎn)單的時(shí)間記錄體系。想象一個(gè)時(shí)間記錄儀，它由一個(gè)光子和兩塊有限距離的反光鏡構(gòu)成，光子在兩塊平行的反光鏡間來(lái)回彈跳。我們假設(shè)光子從一塊鏡子反彈到另一塊鏡子用時(shí)1秒?，F(xiàn)在，在地球上空和表面的點(diǎn)A和點(diǎn)B分別放置一個(gè)這樣的時(shí)間記錄儀（之前已經(jīng)討論過(guò)這一模型），然后讓它們記錄自由落體的物體經(jīng)過(guò)它們的時(shí)間。自由落體上的相似時(shí)間記錄儀也會(huì)以自己的參照體系記錄物體經(jīng)過(guò)的時(shí)間。它們是如何測(cè)量的呢？
觀察光子在兩反光鏡間的反射類似于觀察在移動(dòng)列車中彈跳的網(wǎng)球。對(duì)列車上的人來(lái)說(shuō)，球是垂直彈跳的，但是對(duì)車窗外靜止的人來(lái)說(shuō)，球的運(yùn)功軌跡是鋸齒狀的。
當(dāng)時(shí)間記錄儀向前移動(dòng)時(shí)，光子在釋放后，就會(huì)像火車上的球一樣，在被鏡面反射前看上去比記錄儀靜止時(shí)移動(dòng)了更長(zhǎng)的距離。我們對(duì)時(shí)間的測(cè)定因此被打亂了！而且，記錄儀移動(dòng)得越快，光子反射的耗時(shí)越長(zhǎng)，由此可見，一秒鐘的時(shí)間被拉長(zhǎng)了！這也是點(diǎn)B的時(shí)間比點(diǎn)A的時(shí)間要慢的原因（讓我們來(lái)回顧一下原因，因?yàn)橹亓Φ年P(guān)系，物體在點(diǎn)B的下落速度比點(diǎn)A慢）。這個(gè)可編程的圖示描繪了光子的鋸齒形移動(dòng)軌跡，因而完美地描繪出了時(shí)間延遲。
當(dāng)然，這個(gè)差異是微乎其微的。在山頂和在地球表面，時(shí)間的差別是納秒（時(shí)間單位，一秒的十億分之一）級(jí)的。然而，愛(ài)因斯坦的發(fā)現(xiàn)仍舊是破天荒地。地心引力確實(shí)會(huì)使時(shí)間放緩，這也意味著，物體質(zhì)量越大，其附近的時(shí)間流逝越慢。
話雖這么說(shuō)，如果本篇文章論述的是光的延遲，那么選擇光電池鐘來(lái)證明似乎很方便。然而，時(shí)間膨脹影響的是每一個(gè)鐘表，無(wú)論它依據(jù)的是最簡(jiǎn)單的電磁現(xiàn)象還是電磁現(xiàn)象和牛頓運(yùn)動(dòng)定律的復(fù)雜結(jié)合。廣義相對(duì)論的普遍性確保的正是這一點(diǎn)。實(shí)際上，甚至生物進(jìn)程、時(shí)間，都會(huì)膨脹。是的……你的頭比你的腳要年長(zhǎng)一些！
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