一百多年前,愛因斯坦的相對論橫空出世,徹底顛覆了人們的時空觀。牛頓的絕對時空觀也因此被愛因斯坦提出的相對時空觀代替。
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雖然絕對時空觀在人們心目中根深蒂固,而且非常符合我們的日常認知,但越來越多的實驗證明相對時空觀的正確性。
相對論包括狹義相對論和廣義相對論,前者是后者的基礎,后者是前者的推廣,比前者更具普適性。
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相對論有一個重要的思想,那就是時間膨脹效應(鐘慢效應)。速度和引力都會影響到時間流逝速度的快慢。
簡單來講,速度越快,引力越強,時間流逝速度就會越難。
從更深層去理解相對論,時間膨脹效應其實是時間,空間和物質三者之間的關系,時間和空間是密不可分的整體,簡稱“時空”。你不可能找到沒有時間的空間,反之也不存在沒有空間的時間。
同時,物質的運動會對周圍時空造成影響。
物理學是非常嚴謹的,而相對論的整個論證過程其實是相當復雜的,涉及到非常復雜的公式,還有高等數學,看起來比較晦澀難懂。
而作為科普工作者,要做的就是把復雜的東西簡單化,通俗化。盡管這樣做不可避免地會出現不太嚴謹的地方,但并不影響我們對物理理論的影響。
回到上面的問題,速度越快,引力越強,時間就越慢。這就是對相對論中“時間膨脹效應”的通俗解釋。
具體能變慢多少呢?
純分析,能慢到接近于時間停止。
速度無限接近光速,引力足夠大時(比如黑洞的史瓦西半徑,也就是事件視界),時間就趨于停止!
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也就是說,光速和黑洞的視界是時空結構終結的地方。
何為時空終結?
可以這樣通俗理解:一旦達到光速,或者身處黑洞視界,你將身處一個完全不同的時空結構里,我們無法理解的地方。
光速,我們無法達到,因為任何有靜質量的物體都無法達到光速,所以單純地依靠速度,我們只能無限地讓時間流逝速度變慢,并不能讓時間停止。
速度讓時間變慢的公式為:t'=t/√[1-(v/c)]
公式本身并不復雜,很好理解。t'是變慢后的時間(高速飛行的時間流逝),t是觀測者的時間(低速世界),v是相對低速世界的速度,c是光速。
引力讓時間變慢的公式為:t'=tx√(1-2GM/rc)
公式為不難理解。G是萬有引力常數,M為天體質量(比如地球),r為物體到天體中心距離。
兩個公式的推導過程相對比較復雜,這里不再詳述,有興趣的朋友可以試試看。
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根據速度計算公式(第一個公式),飛行速度必須非常接近光速,時間膨脹效應才會比較明顯。
比如,如果你的飛行速度達到光速的一半,時間只能變慢15%。
也就是說,你以光速的一半(相對地球)飛行一年時間,地球時間只過去了1.15年!
當速度達到光速的99%時,時間膨脹效應就非常明顯了,可以達到7倍。飛行一年,地球時間過去七年!
同樣地,引力也會影響時間流逝的速度。引力越強,時間膨脹效應越明顯。
著名科幻電影《星際穿越》相信很多人都看過,其中就有一個重要情節,主人公在黑洞附近停留了一個小時,地球時間竟然過去了七年之久,時間膨脹了六萬倍!
看到這里,可能有人會有這樣的疑問:既然時間會變慢,那么人們可以因此壽命更長,甚至長生不老嗎?
并不會!
相對論非常重要的一點就是“相對”兩字,必須有兩個不同的參照系,才能讓時間膨脹效應得以體現。
假設你可以亞光速飛行(相對地球),你本身的時間(本征時間)流逝速度并不會有什么改變,如果地球上的人能看到你,會看到你的時間變慢了而已。
當然,你也會看到地球上的時間也靜止了。
你們都沒錯,只是參照系的選擇不同罷了。
那么誰的時間變慢了呢?你,還是地球上的人呢?
只能說,對比兩個不同參照系的時間流逝速度并沒有太大意義。正如上面所說,地球上的人都會認為對方的時間變慢了!
以后當你們重新回到同一參照系(亞光速飛行的你返回地球),才會對此出到底誰的時間變慢了,答案就是:你的時間變慢了!
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這也是著名的雙生子佯謬,具體推導過程不再詳述,以后的文章會涉及到。
好像有點扯遠了!
對于目前的人類來講,單純地依靠速度讓時間變慢不太現實,因為速度越快,質量就越大,需要更多的能量才能繼續加速,還要考慮因速度過快帶來的其他問題。
而且速度帶來的時間膨脹效應并不明顯。
用超強引力讓時間變慢也比較,我們很難在短時間內到達黑洞附近。
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而有一種方式堪稱星際旅行的完美方案,那就是蟲洞。
通過蟲洞,我們甚至不需要任何加速,就可以瞬間穿越浩瀚距離。
遺憾的是,蟲洞的概念目前仍舊停留在科幻階段,或許有朝一日人類科技足夠發達,就能夠制造出隨意穿越宇宙空間的蟲洞!
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