時間膨脹
引力时间膨胀是一个关于时间流逝变化的物理学概念,由广义相对论引起。外太空的时钟比地球上的时钟走得更快。行星等重物会产生引力场,使附近的时间变慢。这意味着,远离任何星球的飞船上的时钟会比地球附近的时钟移动得更快。
这与狭义相对论所解释的时间膨胀不同,狭义相对论说,快的物体在时间上移动得更慢。像国际空间站这样的近距离卫星非常快速地移动到地球轨道上,所以它们被减慢了速度。由于国际空间站处于低地球轨道(LEO),由于重力引起的时间膨胀不如由于速度引起的时间膨胀强烈,所以它上面的时钟被减慢的速度比被加速的速度要多。在地球静止轨道上的物体运动速度较慢,而且离地球较远,所以引力的时间膨胀较强,时钟的运动速度也比在低地轨道上快。这意味着工程师需要为不同的轨道选择不同的时钟。GPS卫星之所以能够工作,是因为它们知道这两种时间膨胀。
案例1:在狭义相对论中,根据静止观察者的时钟,运动的时钟运行速度较慢。这种效应不是来自时钟的工作,而是来自时空的性质。
情况2:观测者可能处于引力质量不同的位置。在广义相对论中,靠近强引力场的时钟比在弱引力场中的时钟运行得慢。
两个好的时钟在外太空和地球上会显示不同的时间。
证据
实验支持时间扩张的两个方面。
相对速度引起的时间膨胀
狭义相对论中确定时间膨胀的公式为:。
Δ t ′ = Δ t 1 - v 2 / c 2 {\displaystyle ΔΔ t'={\frac {ΔΔ t}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}},}。
哪儿
Δ t {\displaystyle \Delta t,}是观察者的时间间隔(例如他的时钟上的滴答声)--这被称为适当时间。
Δ t ′ {\displaystyle \Delta t'\,}是人以速度v相对于观察者运动的时间间隔。
v {displaystyle v\,}是观察者与移动时钟之间的相对速度。
c {displaystyle c/,}是光速。
也可以写成:
Δ t ′ = γ Δ t {\displaystyle \Delta t'=\gamma \Delta t,}。
哪儿
γ = 1 1 - v 2 / c 2 {\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}},}为洛伦兹系数。
简单的总结就是,静止时钟上测量的时间比运动时钟上测量的时间多,所以,运动时钟是"跑得慢"。
当两个钟相对不动时,测量的两个时间是一样的。这一点可以用数学方法证明
Δ t ′ = Δ t 1 - 0 / c 2 = Δ t {\displaystyle \Delta t'={\frac {\Delta t}{sqrt {1-0/c^{2}}}}={\Delta t},}。
例如:在一艘以99%光速行驶的宇宙飞船里,一年过去了。在地球上会经过多少时间?
v=0.99c {/displaystyle v=0.99c/}。
Δ t = 1 {\displaystyle Δta t=1,/}年。
Δ t ′ = ?{displaystyle {Delta t'=?}
代入:Δ t ′ = Δ t 1 - v 2 / c 2 {\displaystyle \Delta t'={\frac {\Delta t}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}},}。
Δ t ′ = 1 1 1 - ( .99 c ) 2 / c 2 = 1 1 1 - ( .99 ) 2 ( c ) 2 c 2 = 1 1 - ( .99 ) 2 {\displaystyle \Delta t'={frac {1}{\sqrt {1-(。99c)^{2}/c^{2}}}}={frac {1}{/sqrt {1-{/frac {(.99)^{2}(c)^{2}}{c^{2}}}}}}={frac {1}{/sqrt {1-(.99)^{2}}}}}。
= 1 1 - 0.9801 = 1 0.0199 = 7.08881205 {displaystyle ={frac {1}{sqrt {1-0.9801}}}={frac {1}{sqrt {0.0199}}}=7.08881205}年。
所以在地球上大约会过7.09年,在飞船里每过一年。
在今天的普通生活中,时间膨胀还没有成为一个因素,在这里,人们的移动速度远远低于光速,速度并没有大到足以产生任何可探测的时间膨胀效应。这种微乎其微的影响可以放心地忽略。只有当一个物体的速度接近每秒3万公里(67,000,000英里/小时)(光速的10%)时,时间膨胀才变得重要。
然而,时间膨胀也有实际用途。一个大的例子是保持全球定位系统卫星上的时钟的准确性。如果不考虑时间膨胀,GPS的结果将毫无用处,因为时间在远离地球引力的卫星上运行得更快。如果不将空间时钟设置为在地球上运行速度较慢,以抵消高地球轨道(地球静止轨道)上较快的时间,那么全球定位系统设备将因时差而计算出错误的位置。
问题和答案
问:什么是引力时间膨胀?答:引力时间膨胀是一个关于时间流逝变化的物理学概念,由广义相对论引起。当像行星这样的重物产生一个引力场,使附近的时间变慢时,就会发生这种现象。
问:它与狭义相对论有什么不同?
答:狭义相对论认为,快的物体在时间上移动得更慢,而引力时间膨胀则认为,强引力场附近的时钟比弱引力场的时钟运行得更慢。
问:国际空间站(ISS)上的时钟会怎样?
答:由于国际空间站处于低地球轨道(LEO),它的速度导致其时钟变慢,而不是因重力而变快。这意味着,它上面的时钟放慢的速度比加快的速度要多。
问:地球静止轨道是如何影响时钟的?
答:地球静止轨道上的物体移动速度较慢,而且离地球较远,所以引力时间膨胀较强,时钟比在低地球轨道上移动得更快。
问:工程师在为不同的轨道挑选不同的时钟时,需要考虑什么?
答:工程师们需要为不同的轨道挑选不同的时钟,这取决于它们的位置和与地球表面的距离而受重力或速度的影响程度。
问:GPS卫星在两种时间膨胀方面是如何工作的?
答:GPS卫星之所以能工作,是因为它们知道两种时间膨胀--狭义相对论和广义相对论--这使它们能够准确地测量地球表面各位置之间的距离,尽管由于它们的位置和与地球表面的距离不同而存在重力或速度的差异。