这是一个比较烧脑的问题,我们需要先理解一下在爱因斯坦的相对论中,有关时间的非常抽象的概念。在相对论的体系中,我们所处的时空之所以被称为“时空”,那是因为时空是由时间和空间共同构成,它们是一体的,是不可分割的,任何脱离时空体系的对时间的描述都是片面的。简单的说,时间对于时空来说,是一个可变的参数,它可以因为因为物体所受的引力以及物体的运动速度而改变。
(关于运动速度与时间的关系,本人在其它文章中有过比较详细的解释,有兴趣的小伙伴可以在本人以前的文章中查看,今天我们单讲引力与时间的关系。)
引力使时间变慢的现象,在相对论中被称为“引力时间膨胀效应”。广义相对论指出,引力是因为有质量的物体使周围的时空发生了所扭曲造成的,一个物体质量越大,造成的时空扭曲就越大,其引力也就越大。而时空的扭曲率决定了时间的流逝速度,其具体表现在时空的扭曲率越大,时间流逝的速度就越慢。关于这一点,可以参照下面的方程式。
在上图中,t为被观测者的时间,T为静止参考系的时间,G为引力常数,M为产生引力的天体的质量,r为被观测者离引力中心的距离,c为光速。在这个公式中,我们可以清楚的看到,当引力源的质量M增加时,被观测者的时间t就会减少,而质量与引力是成正比关系的,这就是引力使时间变慢的理论基础。
根据公式计算,在地球上每升高一米,由“引力时间膨胀效应”造成的偏差约为1.09x10^-16秒。也就是说在地球上不同高度的人,其感受到的时间是有差别的,例如住在12楼的你(约为44米高),你的时间就比住在一楼上的人快大约一千万亿分之四点八秒。是不是很奇妙?原来我们在上下楼的过程中,一直都在“穿越”,只是这个时间偏差极小而我们感受不到。
大家不要认为这只是爱因斯坦的异想天开,事实上,这个公式是经过科学界严谨的验证了的,现代的高精度的原子钟已经将时间定位的非常的精准。1969年,庞德-雷布卡实验就首次直接证实了“引力时间膨胀效应”的存在。
虽然这种现象造成的时间偏差极小,但在引力差距足够大的时候就不能忽略了。拿现在我们非常依赖的GPS定位系统来说吧,因为它的卫星离地面很远,所受到的地心引力就比地面上要小得多,所以时间上发生的偏差就显得比较大了,因此它的授时系统就要严格的依照相对论进行调整了,不然的话,GPS就会因为与地面上的时间偏差而不能进行精准的定位。
如上所述,从静止参考系的观测者的角度来看,当一个物体受到的引力越大,它的时间流逝速度就会越小。根据“引力时间膨胀效应”,当我们处于静止参考系来观察一个物体靠近一个引力巨大的天体时,比如说黑洞,当这个物体离黑洞越来越近,时间就会过得越来越慢,由于黑洞的引力近乎无限大,那么这个物体的时间也就无限的趋近于零。那么,从我们的角度来看,这个物体似乎就永远进不了黑洞!
这些令我们难以想象的场景,也许会真实的发生。宇宙的神秘,并非现在的我们能真正理解的,我们人类还需要太多太多的时间!
好了,今天我们就先讲到这里,欢迎小伙伴们关注我们,我们下次再见