什么是時間膨脹?

時間膨脹是指一個看似奇怪的事實，即不同觀察者的時間以不同的速率流逝，這取決于他們在引力場中的相對運動或位置。

這是它的工作原理。時間是相對的。盡管這聽起來違反直覺，但它是愛因斯坦相對論的結果。在日常生活中，我們習慣于速度是相對的——因此，例如，相對于靜止觀察者以 60 英里/小時(97 公里/小時)的速度行駛的汽車將被視為以 120 英里/小時(193 公里/小時)的速度移動以相同速度向相反方向行駛的司機。

同樣的現象也會影響時間。根據觀察者的相對運動或他們在引力場中的位置，該觀察者將體驗到與另一個觀察者不同的時間流逝率。這種被稱為時間膨脹的效應只有在特定條件下才能被檢測到，盡管在低水平上，我們一直受到它的影響。讓我們仔細看看時間膨脹理論及其一些后果，包括 GPS 誤差和著名的孿生悖論。

時間膨脹是一個觀察者與另一個觀察者相比所感知的時間變慢，這取決于他們在引力場中的相對運動或位置。這是愛因斯坦相對論的結果，其中時間并不像看起來那樣絕對;對于不同參照系的觀察者，它通過的速度是不同的。

時間膨脹與光速和引力的關系是什么?

時間膨脹與光速

相對論有兩個部分——狹義相對論和廣義相對論，并且兩者都具有時間膨脹特征。所有觀察者的光速都相同的原理在狹義相對論中起著關鍵作用。根據波士頓大學物理學家安德魯·達菲( Andrew Duffy) 的說法，其后果之一是，相對于彼此以恒定速度移動的兩個觀察者測量了相同事件之間的不同時間。但是這種效果只有在速度接近光速時才會變得明顯，通常用c 來表示。

想象一艘宇宙飛船以 95% 的光速前往 9.5 光年外的行星。地球上的靜止觀察者將測量旅程時間為距離除以速度，或 9.5/0.95 = 10 年。另一方面，宇宙飛船的船員會經歷時間膨脹，因此認為這次旅行只需要 3.12 年。換句話說，在離開地球和到達目的地之間，機組人員的年齡只有三年多一點，而人們回到地球已經過去了 10 年地球。

盡管像這樣的真正驚人的情況需要非常高的速度，但對于任何類型的相對運動，時間膨脹都會發生在更適度的范圍內。例如，根據“如何建造時間機器”(St. Martin's Griffin，2013 年)，每周穿越大西洋的普通飛行者在 40 年后比非旅行者經歷的時間減少約千分之一秒。這本書還解釋了在現實世界中如何發生更令人印象深刻的時間膨脹壯舉所需的那種速度，至少在短壽命的基本粒子的情況下稱為介子。它們是宇宙射線撞擊地球高層大氣時產生的，它們可以以接近光速的速度傳播。μ子非常不穩定，它們不應該持續足夠長的時間到達地球表面，但它們中的許多都做到了。那是因為時間膨脹可以將它們的壽命延長五倍。

時間膨脹和引力

在他提出狹義相對論十年后，愛因斯坦擴展了他的理論，將引力效應包括在廣義相對論中。但是這個理論中的時間膨脹不取決于旅行的速度，而是取決于當地引力場的強度。我們已經生活在地球表面的中等引力場中，所以事實證明，我們會在不知不覺中受到時間膨脹的影響。此外，當我們在地球磁場中上下移動時，效果的強度會發生變化。

高層建筑頂層的重力比地面稍弱，因此時間膨脹效應在更高處也更弱。距離地球表面越遠，時間過得越快。正如西德克薩斯農工大學物理學教授克里斯托弗·貝爾德 (Christopher Baird) 在他的網站上所描述的那樣，盡管這種影響太小而無法用人類感官檢測到，但可以使用極其精確的時鐘來測量不同高度之間的時差。

為了看到一個更戲劇性的引力時間膨脹的例子，我們需要找到一個引力比地球強得多的地方，比如黑洞周圍的街區。美國宇航局已經考慮過如果將時鐘放入距離與太陽質量相同的黑洞6 英里(10 公里)的軌道上會發生什么。事實證明，當從安全距離通過望遠鏡觀察時，時鐘需要大約 1 小時 10 分鐘才能顯示 1 小時的差異。