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相對論時空效應的三個特點

圖文 更新时间:2024-07-23 16:10:51

時間,或許是每個人最親近的“人”。我們常說形影不離,但事實上真正與我們形影不離的其實是時間。

在每個人心目中,根深蒂固地存在着這種概念:時間流逝速度對于每個人都是一樣的。這種概念也很符合我們在日常生活的認知,畢竟你的一秒與我的一秒應該都是一樣的。

相對論時空效應的三個特點(相對論中的鐘慢效應)1

但相對論的橫空出世,徹底讓我們“傻眼”了。你的一秒與我的一秒居然不是一樣的。嚴格來講,每人人的一秒都是不一樣的,每個人的時間就是速度都不一樣。

毫無疑問,相對論完全颠覆了我們的傳統認知,難怪直到今天仍舊有不少人不相信相對論得出的結論。

這就是相對論中的“鐘慢效應”,這種效應可以分為兩種。

狹義相對論中的鐘慢效應,講的是速度越快時間流逝速度就越快。如果速度接近光速,時間流逝速度就趨于零。

還有一種就是廣義相對論中的鐘慢效應。除了速度,引力同樣可以影響時間。引力越強,時間流逝速度就越慢。

比如說在地面上,一樓比二十樓受到的地球引力更強,所以一樓的時間流逝速度更慢。當然差别實在太小了,我們根本感受不到,不然每個人都想住一樓了。

速度和引力會影響時間流逝的快慢,讓很多人感到費解。

相對論隻是物理學理論,那麼有沒有現實的例子來證明鐘慢效應呢?

還真有,而且早就證明了鐘慢效應真的存在,半個世紀前就已經證明了。

1971年,科學家利用高度精準的铯原子鐘驗證相對論中的鐘慢效應。

相對論時空效應的三個特點(相對論中的鐘慢效應)2

具體是這樣的,四台铯原子鐘分别放在兩架飛機上,地面上放置一台铯原子鐘作為參照鐘。

之所以用铯原子鐘是有原因的,它的精确度極高,千萬年時間誤差還不到一秒。

這個實驗可以驗證兩種鐘慢效應,速度鐘慢效應和引力鐘慢效應。

相對論時空效應的三個特點(相對論中的鐘慢效應)3

飛機的飛行速度相對較快,加上地球自身的自轉速度,可以使得速度鐘慢效應得以充分體現。

同時,飛機高度相對較高,受到的地球引力就會變小,又可以使引力鐘慢效應體現出來。

最後的實驗結論就可以非常有效地驗證相對論中的時間膨脹效應(鐘慢效應),更可以有力地反駁那些以雙生子佯謬來質疑相對論的人。

下面來說說具體是如何驗證的。

飛機是分兩次飛行的,一次向東,一次向西。

向東飛行的飛機,由于是順着地球自轉方向飛行,相對于地面的速度就是飛機本身的速度加上地球自轉熱速度。

同樣地,向西飛行的飛機速度,是逆着地球自轉方向飛行的,相對地面的速度需要減去地球自轉速度。

雖然飛機速度并不快,但由于飛行時間足夠長(環繞地球一周),相對論效應(鐘慢效應)就比較明顯了。兩架飛機上的原子鐘在時間的流逝速度上就會有差異,而且與地面上的原子鐘相比,時間流逝速度同樣也都有差異。

同樣地,由于飛機遠離地面飛行,受到的地球引力較小,引力差異造成的鐘慢效應也會凸現出來,飛機上的原子鐘時間流逝速度會變快。

最終的實驗結果如下圖(綜合了速度和引力兩方面的影響):

相對論時空效應的三個特點(相對論中的鐘慢效應)4

向東飛行的飛機,原子鐘時間比地面原子鐘慢了59納秒。而向西飛行的原子鐘比地面原子鐘快了273納秒。

通過相對論鐘慢效應理論計算出來的數據,與上述數據基本一緻,微小的誤差在可接受範圍,畢竟任何形式的實驗都是有誤差的。

如果半個世紀前的實驗還是不能讓你心服口服,那麼接下來這個你每天都在進行的自我實驗,應該會讓你“閉嘴”。

它就是你我幾乎每天都在使用的全球定位系統。

我們開車時幾乎都會用到導航,天上飛的導航衛星不就相當于實驗中的飛機嗎?隻不過速度更快,高度更高。

相對論時空效應的三個特點(相對論中的鐘慢效應)5

導航衛星都配備有原子鐘,目的就是用來修正時間的流逝速度。

因為導航衛星上的時間流逝速度與地面上不一樣,如果不修正,就會造成地面上的導航位置誤差每天就能達到恐怖的11千米!

如此大的誤差,完全失去了應有的作用了,還不得把你導航到太平洋裡去啊?

說到這裡你應該明白了吧!

最後奉上一個時間矯正的公式:

相對論時空效應的三個特點(相對論中的鐘慢效應)6

M地球質量,G引力常數,r物體與地球中心距離(注意不是地面距離),v為物體相對地球中心速度,c光速。

利用公式可以得出,導航衛星的時間流逝每天要比地球時間快38微秒左右。

38秒看起來很短,但時間積累起來就會造成完全不一樣的結果,尤其是在導航時,要求非常精确,否則我們開車時真的會被導航忽悠了!

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