1相對(duì)論時(shí)間
愛因斯坦發(fā)表相對(duì)論以來(lái)(1905年狹義相對(duì)論,和1916年的廣義相對(duì)論),我們對(duì)時(shí)間的理解已發(fā)生了巨大的變化,傳統(tǒng)的絕對(duì)時(shí)空取代了時(shí)間的一維時(shí)空的概念。源自愛因斯坦提出了狹義相對(duì)論,和動(dòng)態(tài)彎曲時(shí)空的廣義相對(duì)論。
這是愛因斯坦的智慧，他意識(shí)到光速是絕對(duì)的、不變的并且不能超過(事實(shí)上光速比任何時(shí)間和空間都更重要)。在相對(duì)論中，時(shí)間無(wú)疑是構(gòu)成宇宙結(jié)構(gòu)的一個(gè)不可分割的組成部分，它不可能與宇宙分離，但是，如果光速是不變的和絕對(duì)的，愛因斯坦意識(shí)到，空間和時(shí)間必須是靈活的，并且相對(duì)于適應(yīng)這一點(diǎn)。
盡管愛因斯坦的許多工作經(jīng)常被認(rèn)為是“困難的”或“反直覺的”，但他的理論已經(jīng)證明(在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和天文觀測(cè)中)是一個(gè)非常精確的現(xiàn)實(shí)模型，確實(shí)比牛頓物理學(xué)更準(zhǔn)確，并且適用于更廣泛的環(huán)境和條件。
2關(guān)于時(shí)空
愛因斯坦的狹義相對(duì)論的一個(gè)方面是,我們現(xiàn)在知道了,空間和時(shí)間是將不可避免地合并為四維時(shí)空,而不是三維空間和一個(gè)完全不同的時(shí)間維度。
笛卡爾在17世紀(jì),經(jīng)典物理學(xué)家。正是有了這一認(rèn)識(shí)，時(shí)間有效地成為了在時(shí)空中指定物體位置的坐標(biāo)的一部分。
閔可夫斯基引入了恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間概念，即兩個(gè)事件之間的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，這是通過兩個(gè)事件的時(shí)間來(lái)測(cè)量的。因此，適當(dāng)?shù)臅r(shí)間不僅取決于事件本身，也取決于事件之間的時(shí)鐘的運(yùn)動(dòng)。
相比之下，閔可夫斯基所謂的“坐標(biāo)時(shí)間”是兩個(gè)事件之間的明顯時(shí)間，這是由一個(gè)遙遠(yuǎn)的觀察者來(lái)測(cè)量的，使用觀察者自己的方法來(lái)分配時(shí)間?，F(xiàn)代物理學(xué)家所以不要把時(shí)間視為“通過”或“流動(dòng)”的傳統(tǒng)意義上說(shuō),也不是時(shí)間發(fā)生的一系列事件:過去和未來(lái)都是簡(jiǎn)單的“有”,提出了作為四維時(shí)空的一部分,其中一些我們已經(jīng)訪問了,有些沒有。
根據(jù)相對(duì)論,一個(gè)“現(xiàn)在”的感覺,尤其是沿著時(shí)間的“現(xiàn)在”,似乎“流”,因此出現(xiàn)了純粹的人類意識(shí)和我們的大腦,也許作為一個(gè)進(jìn)化工具來(lái)幫助我們處理我們周圍的世界,即使它沒有實(shí)際上反映了現(xiàn)實(shí)。正如愛因斯坦自己所言:“像我們這樣相信物理學(xué)的人，知道過去、現(xiàn)在和未來(lái)之間的區(qū)別只是一種頑固的幻覺?！?/p>
然而，如果時(shí)間是一個(gè)維度，它看起來(lái)就不像是三維空間的維度。例如，我們可以選擇在空間中移動(dòng)，但我們的移動(dòng)時(shí)間是不可避免的，無(wú)論我們喜歡與否，我們都是這樣做的。事實(shí)上，我們并不是真的在時(shí)間上移動(dòng)，至少不像我們?cè)谔罩幸苿?dòng)那樣。
在廣義相對(duì)論中，當(dāng)愛因斯坦意識(shí)到也許引力不是時(shí)空的場(chǎng)或力，而是時(shí)空本身的特性時(shí)，時(shí)空的概念進(jìn)一步得到了完善。因此，時(shí)空連續(xù)體實(shí)際上是被質(zhì)量和能量扭曲和彎曲的，這是我們認(rèn)為是重力的扭曲，導(dǎo)致了一個(gè)動(dòng)態(tài)彎曲的時(shí)空。在質(zhì)量非常大的區(qū)域，如恒星和黑洞，時(shí)空是由質(zhì)量的極端引力彎曲或彎曲的，這一觀點(diǎn)經(jīng)常被一個(gè)保齡球的重量扭曲的橡膠板的圖像所闡明。
3關(guān)于時(shí)間膨脹
同樣，由于愛因斯坦的工作和他的狹義相對(duì)論，我們現(xiàn)在知道，根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，時(shí)間的速度實(shí)際上是不同的，所以時(shí)間實(shí)際上以不同的速度以不同的速度以不同的速度傳播，這是一種被稱為時(shí)間膨脹的效應(yīng)。
因此，如果兩個(gè)同步時(shí)鐘相對(duì)于彼此移動(dòng)，就不一定保持同步。在空間維度中有一種相關(guān)的效應(yīng)，即所謂的長(zhǎng)度收縮，即移動(dòng)的身體實(shí)際上是在旅行的方向上的收縮。時(shí)間膨脹(以及相關(guān)的長(zhǎng)度收縮)可以忽略不計(jì)，但在我們周圍的世界中，它幾乎是不可察覺的，盡管它可以用非常靈敏的儀器來(lái)測(cè)量。
然而，當(dāng)物體的速度接近光速(被稱為相對(duì)論速度)時(shí)，它就變得更加明顯。如果一艘宇宙飛船能以99%光速的速度飛行，一個(gè)假想的觀察者會(huì)看到飛船的時(shí)鐘移動(dòng)的速度是正常速度的兩倍(也就是說(shuō)，協(xié)調(diào)時(shí)間的移動(dòng)速度是正常時(shí)間的兩倍)，而宇航員們則在緩慢移動(dòng)的過程中移動(dòng)。
在光速的99.5%的情況下，觀察者會(huì)看到時(shí)鐘的速度比正常的慢10倍。在99.9%的光速下，這個(gè)因子大約是22倍，在99.99%的情況下，在99.9999%的情況下，呈指數(shù)增長(zhǎng)。在目前使用的最大粒子加速器中，我們可以使時(shí)間慢下來(lái)10萬(wàn)倍。以光速本身，如果真的有可能達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，時(shí)間就會(huì)完全停止。
也許最簡(jiǎn)單的理解這個(gè)困難概念的方法是，當(dāng)一個(gè)物體或一個(gè)人在時(shí)空中移動(dòng)時(shí)，它的運(yùn)動(dòng)“分享”一些空間運(yùn)動(dòng)的時(shí)間運(yùn)動(dòng)，就像一些向西北運(yùn)動(dòng)的向西運(yùn)動(dòng)一樣。這一維度的共享是光速的不變性質(zhì)(略小于30萬(wàn)千米/秒)，這是一個(gè)永遠(yuǎn)無(wú)法超越的宇宙的基本常數(shù)。
因此，在某種意義上，以相對(duì)論速度減慢的時(shí)間，是為了“保護(hù)”不可侵犯的宇宙速度極限(光速)。
雖然一艘宇宙飛船旅行以接近光速的速度需要100000年達(dá)到一個(gè)遙遠(yuǎn)的恒星100000光年根據(jù)時(shí)鐘在地球上,宇宙飛船的宇航員可能幾乎所有年齡他游歷整個(gè)星系。
因此，相對(duì)論時(shí)間的這種特性引發(fā)了很多關(guān)于時(shí)間旅行的可能性的討論(請(qǐng)參閱時(shí)間旅行的單獨(dú)部分)。
根據(jù)愛因斯坦的理論，時(shí)間是相對(duì)于觀察者的，更具體地說(shuō)，是觀察者的運(yùn)動(dòng)。這并不是說(shuō),在某種程度上都是反復(fù)無(wú)常的或隨機(jī)的性質(zhì)——它仍然是由物理定律和完全可預(yù)測(cè)的表現(xiàn),就像牛頓不是絕對(duì)的和普遍認(rèn)為絕對(duì)時(shí)間,事情并不是像他相信那么簡(jiǎn)單明了。
一些評(píng)論家,如基督教哲學(xué)家威廉·萊恩克雷格認(rèn)為,可能會(huì)有需要區(qū)分的現(xiàn)實(shí)時(shí)間和測(cè)量時(shí)間:根據(jù)這種思路(應(yīng)該提到,不是一個(gè)主流的位置在物理),時(shí)間本身可能是絕對(duì)的,但是我們必須相對(duì)測(cè)量它的方式。
相對(duì)論的一個(gè)犧牲品是同時(shí)性的概念，兩個(gè)事件的性質(zhì)同時(shí)發(fā)生在一個(gè)特定的參考系中。
根據(jù)相對(duì)論物理學(xué)，同時(shí)性并不是事件之間的絕對(duì)屬性，就像以前一直被認(rèn)為是理所當(dāng)然的那樣。因此，在一個(gè)參照系中同時(shí)存在的東西不一定在另一個(gè)框架中同時(shí)存在。對(duì)于以正常速度移動(dòng)的物體，其影響很小，通常可以忽略(因此同時(shí)性通?？梢员灰暈榻^對(duì)屬性);但是當(dāng)物體接近相對(duì)論速度(接近光速)時(shí)，這種直覺的關(guān)系就不能再被假定了。
4引力時(shí)間膨脹
當(dāng)愛因斯坦把他的狹義相對(duì)論擴(kuò)展到他的一般理論時(shí)，很明顯，在強(qiáng)烈的引力作用下也會(huì)出現(xiàn)類似的時(shí)間膨脹效應(yīng)，這種效應(yīng)通常被稱為引力時(shí)間膨脹。這就像是重力在某種程度上拉拽或拖拽時(shí)間，減慢了它的速度。物體離物體越近，它們之間的引力就越強(qiáng)(根據(jù)艾薩克牛頓第一次發(fā)現(xiàn)的反比定律)，因此時(shí)間拖得越久。
這些影響是可以忽略不計(jì)的類型的重力差異在日常生活中經(jīng)歷:盡管從技術(shù)上講,一個(gè)人住在一樓的公寓年齡低于他們的雙胞胎住在同一棟樓的頂層公寓(由于重力他們經(jīng)歷的差異),效果可能數(shù)量在一個(gè)完整的一生也許一微秒。然而，現(xiàn)代日常生活中有一個(gè)方面，我們確實(shí)體驗(yàn)到了重力時(shí)間膨脹的影響:它對(duì)全球定位系統(tǒng)(GPS)產(chǎn)生了明顯的影響，我們現(xiàn)在很多人都依賴它來(lái)導(dǎo)航。GPS系統(tǒng)所使用的軌道衛(wèi)星比地球表面的引力要小得多，而且移動(dòng)速度也非?？欤虼嗣刻齑蠹s38微秒的時(shí)間扭曲效應(yīng)必須被考慮進(jìn)去，否則GPS就會(huì)很快地積累誤差。
但是，就像宇宙飛船以接近光速的速度飛行一樣，在黑洞邊緣的極端重力環(huán)境下，大量的時(shí)間差異也會(huì)變得明顯。黑洞以接近光速的速度旋轉(zhuǎn)，將周圍的物體拖拽，而黑洞的巨大引力能使時(shí)空彎曲并扭曲時(shí)空。在黑洞的“事件視界”——不返回的引力點(diǎn)——宇宙飛船上的一個(gè)假設(shè)的時(shí)鐘(實(shí)際上是宇宙飛船本身的進(jìn)程)會(huì)從外部出現(xiàn)，因?yàn)闊o(wú)限的時(shí)間膨脹效應(yīng)而完全停止。在黑洞中心的重力奇點(diǎn)處，重力和密度是無(wú)限的，所有的物理規(guī)律都是被打破的。
時(shí)間有效地停止了，就像宇宙大爆炸的奇點(diǎn)一樣(見時(shí)間和大爆炸的部分)。
5雙生子佯謬
時(shí)間的擴(kuò)張也產(chǎn)生了所謂的“雙胞胎悖論”或“時(shí)鐘佯謬”,即一個(gè)假想的宇航員返回從一個(gè)光速航行在太空中發(fā)現(xiàn)他的全職兩個(gè)比他大很多歲(在相對(duì)論高速旅行只有允許宇航員經(jīng)歷,說(shuō),一年的時(shí)間,而地球上十年的時(shí)間)。由于時(shí)間膨脹效應(yīng)，宇宙飛船上的時(shí)鐘比地球上的任務(wù)控制時(shí)鐘的時(shí)間要短。
真正的悖論,盡管,正如愛因斯坦解釋說(shuō),來(lái)自這一事實(shí)(因?yàn)闆]有“首選”在相對(duì)論參考系)我們可以考慮旅行者飛船保持靜止的,而地球拍攝下來(lái),在接近光速的速度。愛因斯坦認(rèn)為，在這種情況下，人們會(huì)認(rèn)為宇航員比地球上的居民年齡要大得多。事實(shí)上，“悖論”是由馬赫原理解釋的:宇宙飛船正在以接近光速的速度從宇宙的大部分區(qū)域加速，而地球卻不是這樣。
因此，是宇宙飛船(和它的宇航員)經(jīng)歷了相對(duì)論時(shí)間的膨脹，而不是地球。
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