时间,或许是每个人最亲近的“人”。我们常说形影不离,但事实上真正与我们形影不离的其实是时间。
在每个人心目中,根深蒂固地存在着这种概念:时间流逝速度对于每个人都是一样的。这种概念也很符合我们在日常生活的认知,毕竟你的一秒与我的一秒应该都是一样的。
但相对论的横空出世,彻底让我们“傻眼”了。你的一秒与我的一秒居然不是一样的。严格来讲,每人人的一秒都是不一样的,每个人的时间就是速度都不一样。
毫无疑问,相对论完全颠覆了我们的传统认知,难怪直到今天仍旧有不少人不相信相对论得出的结论。
这就是相对论中的“钟慢效应”,这种效应可以分为两种。
狭义相对论中的钟慢效应,讲的是速度越快时间流逝速度就越快。如果速度接近光速,时间流逝速度就趋于零。
还有一种就是广义相对论中的钟慢效应。除了速度,引力同样可以影响时间。引力越强,时间流逝速度就越慢。
比如说在地面上,一楼比二十楼受到的地球引力更强,所以一楼的时间流逝速度更慢。当然差别实在太小了,我们根本感受不到,不然每个人都想住一楼了。
速度和引力会影响时间流逝的快慢,让很多人感到费解。
相对论只是物理学理论,那么有没有现实的例子来证明钟慢效应呢?
还真有,而且早就证明了钟慢效应真的存在,半个世纪前就已经证明了。
1971年,科学家利用高度精准的铯原子钟验证相对论中的钟慢效应。
具体是这样的,四台铯原子钟分别放在两架飞机上,地面上放置一台铯原子钟作为参照钟。
之所以用铯原子钟是有原因的,它的精确度极高,千万年时间误差还不到一秒。
这个实验可以验证两种钟慢效应,速度钟慢效应和引力钟慢效应。
飞机的飞行速度相对较快,加上地球自身的自转速度,可以使得速度钟慢效应得以充分体现。
同时,飞机高度相对较高,受到的地球引力就会变小,又可以使引力钟慢效应体现出来。
最后的实验结论就可以非常有效地验证相对论中的时间膨胀效应(钟慢效应),更可以有力地反驳那些以双生子佯谬来质疑相对论的人。
下面来说说具体是如何验证的。
飞机是分两次飞行的,一次向东,一次向西。
向东飞行的飞机,由于是顺着地球自转方向飞行,相对于地面的速度就是飞机本身的速度加上地球自转热速度。
同样地,向西飞行的飞机速度,是逆着地球自转方向飞行的,相对地面的速度需要减去地球自转速度。
虽然飞机速度并不快,但由于飞行时间足够长(环绕地球一周),相对论效应(钟慢效应)就比较明显了。两架飞机上的原子钟在时间的流逝速度上就会有差异,而且与地面上的原子钟相比,时间流逝速度同样也都有差异。
同样地,由于飞机远离地面飞行,受到的地球引力较小,引力差异造成的钟慢效应也会凸现出来,飞机上的原子钟时间流逝速度会变快。
最终的实验结果如下图(综合了速度和引力两方面的影响):
向东飞行的飞机,原子钟时间比地面原子钟慢了59纳秒。而向西飞行的原子钟比地面原子钟快了273纳秒。
通过相对论钟慢效应理论计算出来的数据,与上述数据基本一致,微小的误差在可接受范围,毕竟任何形式的实验都是有误差的。
如果半个世纪前的实验还是不能让你心服口服,那么接下来这个你每天都在进行的自我实验,应该会让你“闭嘴”。
它就是你我几乎每天都在使用的全球定位系统。
我们开车时几乎都会用到导航,天上飞的导航卫星不就相当于实验中的飞机吗?只不过速度更快,高度更高。
导航卫星都配备有原子钟,目的就是用来修正时间的流逝速度。
因为导航卫星上的时间流逝速度与地面上不一样,如果不修正,就会造成地面上的导航位置误差每天就能达到恐怖的11千米!
如此大的误差,完全失去了应有的作用了,还不得把你导航到太平洋里去啊?
说到这里你应该明白了吧!
最后奉上一个时间矫正的公式:
M地球质量,G引力常数,r物体与地球中心距离(注意不是地面距离),v为物体相对地球中心速度,c光速。
利用公式可以得出,导航卫星的时间流逝每天要比地球时间快38微秒左右。
38秒看起来很短,但时间积累起来就会造成完全不一样的结果,尤其是在导航时,要求非常精确,否则我们开车时真的会被导航忽悠了!
,