為什么引力會(huì)使時(shí)間變慢?
這個(gè)問題如果真得仔細(xì)答來,那得需要從廣義相對論的開頭開始講起,而在此之前還需要了解狹義相對論,畢竟引力這個(gè)東西,在相對論理論被解釋為時(shí)空彎曲,而時(shí)空則是相對論最核心的概念。
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想要通過一篇問答來仔細(xì)講準(zhǔn)確廣義相對論是不現(xiàn)實(shí)的,因此我們可以先從狹義相對論開始入手,畢竟狹義相對論中也是存在鐘慢(也就是時(shí)間變慢)效應(yīng)的,而狹義相對論只是廣義相對論在時(shí)空平直時(shí)的特殊形式,因此了解狹義相對論十分有必要。
狹義相對論的兩大基本前提:狹義相對性原理和光速不變原理。
狹義相對性原理告訴我們物理規(guī)律在任意慣性系內(nèi)都具有相同形式,而光速不變原理則說明,真空光速在任意慣性系內(nèi)都相同。有了這兩條,就能推導(dǎo)出一個(gè)被稱為“洛倫茲變換”的東西,注意一點(diǎn),洛倫茲變換成立的前提是兩個(gè)慣性系之間,這也就是為什么很多人認(rèn)為狹義相對論只能處理慣性系之間問題的原因。
【為什么引力會(huì)使時(shí)間變慢?】
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但實(shí)際上,隨著相對論的進(jìn)一步發(fā)展,科學(xué)們認(rèn)為這樣的方式過于狹隘,所以將狹義相對論與廣義相對論的界限定為了時(shí)空是否彎曲,也就是說:即便是非慣性系問題,只要背景時(shí)空是平直的,那么仍舊屬于狹義相對論的范疇,而上段所講的洛倫茲變換也不能代表狹義相對論的全部核心(洛倫茲變換只是一個(gè)更加普遍形式的特例)
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但我們?nèi)砸月鍌惼澴儞Q為例,在此種情況下,我們可以推導(dǎo)出一個(gè)被稱為動(dòng)鐘變慢的效應(yīng),也就是相對于一位靜止觀測者來說(所謂靜止觀測者,也就是指觀測者位于慣性系某點(diǎn)不動(dòng)),移動(dòng)的物體,比如一個(gè)時(shí)鐘,它的時(shí)間過得要比觀測者自身要慢。
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比如一個(gè)經(jīng)常被提到的例子,雙胞胎兄弟,哥哥去太空飛行,弟弟在地球等待,試問哥哥回來后,二人年齡相差幾何?
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答案是哥哥比弟弟年輕,因?yàn)楦绺绺绺绱嬖诩铀俣龋ㄖ杆木S加速度),不是慣性系,所以慣性系平權(quán)就談不上了,因此不會(huì)出現(xiàn)弟弟看哥哥,認(rèn)為哥哥時(shí)間慢,哥哥要比自己年輕;而哥哥看弟弟,認(rèn)為弟弟運(yùn)動(dòng),時(shí)間慢,弟弟比自己年輕的矛盾結(jié)論了。
開頭第二段也說了,狹義相對論是廣義相對論的特殊形式,所以廣義相對論中也應(yīng)存在一個(gè)鐘慢效應(yīng),而廣義相對論又是一個(gè)描述引力的理論,因此自然和時(shí)空彎曲分割不開,所以有了一個(gè)被稱為引力鐘慢的效應(yīng)。
這個(gè)效應(yīng)簡單來說,就是時(shí)空彎曲得越厲害,該處的時(shí)間就流逝得越慢。比如在地球表面,不同高度處,因?yàn)橐莶煌瑢?dǎo)致各處時(shí)間流逝的也不一致,典型的例子就是GPS衛(wèi)星的相對論時(shí)間修正。
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最后補(bǔ)充一點(diǎn):時(shí)空彎曲(引力)必然伴隨潮汐效應(yīng),而加速度等效出來的引力場,不存在潮汐效應(yīng),因此我們不能說加速物體的時(shí)間變慢是引力所致,也就是雙生子問題不存在使用廣義相對論的前提。
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