一个多世纪前,爱因斯坦的相对论横空出世,彻底颠覆了人们关于时间和空间的固有认知。这不仅取代了牛顿所阐述的绝对时空观,更是开启了人类对于宇宙新层次的探索。
虽然绝对时空观在人类心中根深蒂固,它符合我们的日常经验,但诸多实验成果不约而同地证明了相对时空观的正确性。
相对论分为狭义相对论与广义相对论两大块,前者为后者的基石,后者则是前者的扩展,在适用性上更胜一筹。
相对论的一大亮点,即所谓的时间膨胀效应(也称钟慢效应)。物体的速度与受到的引力均会影响到时间流逝的速度。
简单来说,速度越快,引力越强,时间流逝速度就越慢。
深入理解相对论,时间膨胀效应实际上揭示了时间、空间与物质三者之间的紧密联系,它们是一个不可分割的整体,我们简称之为“时空”。不存在没有时间的空间,也不存在没有空间的时间。
并且,物质的运动还会对它周围的时空造成影响。
物理学是非常严谨的学科,而相对论的整个推演过程无疑是复杂的,涉及到高深的数学公式和高等数学,这让它看起来晦涩难懂。
而科普工作者的任务,就是将这些复杂的知识点简化,通俗易懂地传达给大众。虽然这么做难免会牺牲一些严谨性,但并不妨碍我们理解物理理论的精髓。
回到之前的问题,速度越快,引力越强,时间流逝速度就越慢。这就是相对论中“时间膨胀效应”的通俗解释。
具体能慢到什么程度呢?
如果纯粹进行理论分析,时间甚至能慢到接近停止。
当速度无限接近光速,引力足够大时(如黑洞的史瓦西半径,也就是事件视界),时间就接近停止!
换句话说,光速和黑洞的视界是时空结构的终点。
何谓时空的终点?
我们可以这样通俗地理解:一旦达到光速,或者身处黑洞视界,你将进入一个完全不同的时空结构,那是我们无法理解的世界。
光速,我们无法触及,因为任何有静质量的物体都无法达到光速,所以我们只能无限地减慢时间流逝速度,而不能让时间停滞。
速度导致时间变慢的公式为:
该公式本身并不复杂,很容易理解。t'是经过减速后的时间(高速飞行的时间流逝),t是观测者所经历的时间(低速世界),v是相对于低速世界的速度,c是光速。
而引力导致时间变慢的公式为:
该公式亦不难理解。G是万有引力常数,M为天体的质量(比如地球),r是物体到天体中心的距离。
两个公式的推导过程相对繁琐,在此不再赘述,有兴趣的读者可以尝试自我研究。
根据速度计算公式(第一个公式),飞行速度必须无限接近光速,时间膨胀效应才会十分显著。
比如,如果你的飞行速度是光速的一半,那么时间只会慢15%。
也就是说,你以光速的一半(相对地球)飞行一年,地球上的时间则过去了1.15年!
当速度达到光速的99%时,时间膨胀效应就十分显著,可以达到7倍。飞行一年,地球上的时间过去七年!
同理,引力也会影响时间的流逝速度。引力越强,时间膨胀效应越显著。
著名的科幻电影《星际穿越》中就有相关情节,主角在黑洞附近停留了一小时,而地球上的时间却过了七年,时间膨胀了六万倍!
看到这里,可能有人会疑惑:既然时间会慢下来,那人类岂不是能因此寿命延长,甚至永生吗?
答案是:不会!
相对论的关键之处就在于“相对”二字,它需要两个不同的参照系才能显现出时间膨胀效应。
假设你可以亚光速飞行(相对于地球),你自身的时间(本征时间)流逝速度并不会有明显变化,如果地球上的人观察你,会发现你的时间变慢了。
当然,你也会看到地球上的时间静止了。
你们都没错,只是参照系选择的不同导致了这种观感。那么到底谁的时间慢了呢?你,还是地球上的人?
只能说,比较两个不同参照系的时间流逝速度没有太大意义。正如上面所说,地球上的人会觉得对方的时间慢了!
当你们重新回到同一参照系(比如你以亚光速飞行后返回地球),就会知道到底谁的时间慢了,结果会是:你的时间慢了!
这正是著名的双生子佯谬,具体推导过程我们以后的文章会详细介绍。
似乎扯远了。
对于现在的人类来说,单纯依靠速度让时间变慢并不现实,因为速度越快,质量就越大,需要更多的能量来继续加速,同时还得考虑速度过快带来的其他问题。而且速度带来的时间膨胀效应并不显著。
用超强引力让时间变慢也比较困难,我们很难在短时间内抵达黑洞附近。
但有一种方法堪称星际旅行的完美选择,那就是虫洞。通过虫洞,我们甚至不需要加速,就能瞬间穿越遥远的距离。遗憾的是,虫洞的概念目前仅停留在科幻领域,也许有一天,人类的科技足够发达,便能制造出能随意穿越宇宙空间的虫洞!
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