在我們熟悉的世界,時間的流逝速度是一個確定的標尺。
這其實是因為我們生活在一個宏觀低速環境之下,引力和速度對時間流逝速度的影響微乎其微,以致無法察覺,但實際上時間的流失速度并不是恒定不變的。引力和速度會影響時間的流失速度,這違背了我們在宏觀低速環境下生活所形成的認知,所以會讓人覺得有些難以理解,那么,引力和速度到底是如何影響時間的呢?我們其實可以試著這樣去理解,先從引力開始,注意觀察下面的這幅時空彎曲圖。
我們可以看到,因為地球的引力作用,其周圍的時空發生了彎曲。
當然,這只是對于時空彎曲的一種抽象表達,并不完全代表了實際情況,但我們仍然可以從網格狀的時空圖中看到一個關鍵的信息,那就是在引力導致的彎曲部位,網格的密度發生了變化,格子更密集了。這些格子代表了什么呢?空間?是的,但并不是全部,時空的彎曲包含了時間和空間,所以這些小格子既代表時間又代表空間,也就是說變得更密集的除了空間以外,還有時間。
現在我們假設有一個物體,它的尺寸不會隨之時空網格的變化而變化。
那么當這個物體位于地球附近時,它所穿越的時空網格數量就比較多,然而當它位于距地球較遠的位置時,它所穿越的時空網格數量就會相對較少,這也就意味著當這個物體位于地球附近時,它所占據的空間總量較多、通過的時間總量也較多,而在它位于距地球較遠位置時,它所占據的空間總量則較少,通過的時間總量也較少。我們可以將這套表述進行一下簡化,當這個物體遠離地球時,相比靠近地球的物體而言,其以自身來衡量的時間和空間流逝,都會相對較少。
如果這個假設的物體是一個人,那么他就會產生明顯的感受,在不同密度的時空中運動時,時間流逝量是不同的,具體則會表現為時間流失速度的不同。
這種時空密度的變化通過光能夠得到完美的體現,當有一顆恒星發出的光經過另一個質量較大的天體時,會因為周圍時空密度的變化而改變路徑,于是我們看到的星光便不在它原本的位置上,這就是引力透鏡效應。而在速度方面,因為天體的遠離而導致光波長變化所形成的引力紅移效應也算是一個經典的例證。
我們知道引力質量與慣性質量是等效的,這也就是說重力與加速度在效果上是難以區分的。
時空會因為引力而發生密度的變化,同樣也會因為速度而發生密度的變化。根據強等效原理,我們可以認為靠近地球這個引力源的物體的加速度要大于原理地球的物體,于是兩個物體之間會存在一個相對速度,而從狹義相對論的角度出發,兩個物體間存在相對速度就意味著兩個物體之間一定存在著時間流逝速度的差異。
遠離地球的物體將觀察到靠近地球的物體時間流失速度更為緩慢。
現在你可能已經明白了引力和速度是如何影響時間的,但值得注意的是,這只是一種理解方式,并不代表著真實的物理意義。這可能就是科普工作也科學研究的區別所在,因為從嚴格的科學角度來講,能夠解釋現代物理學意義的唯一語言就是數學,而當我們嘗試用文字來代替數學時,就會或多或少偏離原本的物理學意義,但就科普本身而言,這已經足夠了。
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