时间,对于我们来说,似乎是一个忠诚的伙伴。人们常常说形影相随,但实际上,真正与我们寸步不离的,是那无声的时光。

在每个人的心底,都根植着一个固有的观念:对于每个人来说,时间的流逝速度都是一致的。这种观念与我们对日常生活的感知一致,毕竟,你的一秒钟与我的一秒钟似乎并无二致。



然而,相对论的出现,却让我们的认知大为颠覆。你的一秒钟与我的一秒钟,居然并不等价。严格来讲,每个人的一秒钟都各自不同,每个人的时间流逝速度自成一格。

毫无疑问,相对论彻底推翻了我们的既有理解,也难怪至今还有许多人对此持怀疑态度。

这便是相对论中所述的“钟慢效应”。它可以分为两种不同的情形:

在狭义相对论中,钟慢效应告诉我们,物体运动的速度越快,其内部时间的流逝速度就越慢。尤其当速度接近光速时,时间流逝速度几乎趋近于零。

广义相对论中的钟慢效应则告诉我们,除了速度,重力场强度也能影响时间的流逝速度。重力场越强,时间流逝的速度就越慢。

例如,在地球表面,一楼受到的地球引力比二十楼更强,所以一楼的时间流逝速度较慢。当然,这种差异微乎其微,人类感知不到,否则大家都想搬去一楼居住。

速度和重力场强度对时间流逝速度的影响让人觉得难以理解。

既然相对论只是理论物理学的范畴,那么现实生活中有没有实例能证明钟慢效应的存在呢?

实际上,这样的例子早已存在,并且在数十年前就已经证明了钟慢效应的真实性。



1971年,科学家们利用精确的铯原子钟对相对论中的钟慢效应进行了验证。

具体实验设计如下:将四台铯原子钟置于两架飞机上,并在地面上放置一台作为对照。

选择铯原子钟的原因在于其极高的精确度,误差微乎其微。

这一实验能验证两种类型的钟慢效应:速度引起的和重力引起的。



飞机的飞行速度、加上地球的自转速度,可以充分显现出速度引起的钟慢效应。

与此同时,飞机在较高处受到的地球引力较小,从而显现出重力引起的钟慢效应。

实验的最终结果有效地证实了相对论中的时间膨胀效应(即钟慢效应),也为反驳那些以双生子佯谬质疑相对论的论调提供了有力证据。

具体验证的过程如下:

飞机分两次飞行,一次向东,一次向西。

向东飞行时,飞机的速度与地球自转速度相加;而向西飞行时,飞机的速度则需减去地球自转速度。

尽管飞机速度并不算快,但长时间的飞行(环绕地球一周)使得相对论效应变得显著。两架飞机上的原子钟在时间流逝速度上出现了差异,与地面上的原子钟相比也有所不同。

同样地,由于飞机远离地面,受到的引力减小,引力差异导致的钟慢效应显现,飞机上的原子钟时间流逝速度相对变快。

实验的最终结果如以下图表所示(综合了速度和重力两方面的影响):



向东飞行的飞机,原子钟的时间比地面慢了59纳秒;而向西飞行的原子钟则比地面快了273纳秒。

相对论的理论计算结果与实验数据基本吻合,微小的偏差在可接受范围内,毕竟任何实验都不可能完全没有误差。

如果这个实验还不能说服你,那么接下来的这个日常“实验”或许能让你信服:全球定位系统,我们每天在驾驶时都在使用它。

天上飞的导航卫星不正像实验中的飞机吗?只不过它们的速度更快,高度更高。

导航卫星上都装有原子钟,以修正时间流逝的速度。如果不修正,每天的导航位置误差可达到惊人的11公里!



这么大的误差显然无法满足实际需求,导航系统可能会把你带到错误的地方。

现在你明白了吧!

最后分享一个时间校正的公式:



其中M为地球质量,G为引力常数,r为物体与地球中心的距离(不是地面距离),v为物体相对地球中心的速度,c为光速。

根据公式计算,导航卫星的时间流逝每天比地球快大约38微秒。

38微秒看似短暂,但时间累积起来会产生巨大的差异。尤其是在导航时,需要极高的精确度,否则可能会导致导航错误。

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