一个至今仍无法解释的现象，让爱因斯坦明白了隐藏在时间里的秘密

2023-08-27 20:07:08 来源：魅力科学君收藏

在过去很长一段时间里，人们都认为时间流逝的速度是恒定的，无论在哪里，时间都会以相同的速度流逝，但爱因斯坦却提出了不同的观点，他在相对论中指出，速度和引力都会对时间流逝的速度产生影响，一个物体的运动速度越快，或者它受到的引力越强，其时间流逝的速度就越慢。

【资料图】

爱因斯坦的这种理论在提出之后受到了很多质疑，毕竟这太过违背常识了，但随着时间的推移，大量的实验数据却表明，爱因斯坦其实是正确的，时至今日，相对论早已得到了科学界的认同，其中有关时间膨胀的理论，也有了实际应用。

一个常见的实际应用就是全球定位系统，要知道与地面相比，运行在太空中的用于定位的卫星所受到的地球引力更小，这种引力大小的差距就会导致卫星的时间流逝速度比地球表面更快一点，所以这就需要通过相对论来进行校正，否则的话，每12个小时，其定位结果就会出现大约7米的偏差，根本就无法实现准确的定位。

为什么爱因斯坦会知道时间流逝的速度并不是一成不变的呢？答案可以简单地概括为：一个至今仍无法解释的现象，让爱因斯坦明白了隐藏在时间里的秘密。

这种现象就是“光速不变”，我们可以将其简单地理解为，对于任何观测者来讲，无论他处于什么样的运动状态，他所观察到的光速都是相同的，都是299792458米/秒（注：这里的光速是指真空光速，下同）。

举个例子，假设真空中有一束光，现在有两个观测者，甲在以1%的光速迎着这束光运动，乙却以1%的光速背向这束光运动，那么按常理来讲，这束光相对于甲的速度就应该是倍光速，而相对于乙的速度则应该是倍光速，但实际情况却是，甲和乙所观测到的这束光的速度都是光速。

为什么会出现如此反常识的现象呢？很遗憾，其原因至今仍无法解释，但无论是理论和实验，都是指向了这一结果。所以爱因斯坦就将这种现象作为了公设，并将其称为“光速不变原理”，并据此推导出速度和引力都会对时间流逝的速度产生影响，怎么推导的呢？其实我们可以通过一个思想实验来进行说明。

假设有一种利用光子来计时的光子钟，它的原理就是一个光子在两个平行的镜子之间不断地垂直反射，镜子之间的距离可设为h，光子的速度为c，所以这个光子每次反射所用的时间都是一个恒定的值，即：h/c。

现在我们把这样一个光子钟放在一艘相对于地面高速平移的飞船上，那么在这种情况下，地面上的观测者就会看到，其中的光子在垂直运动的基础上，还多了一个平移的速度。

设光子每次反射的平移距离为x，那么根据勾股定律，地面上的观测者所观测到的光子，其每完成一次反射所走的距离就是√（h^2 + x^2），其运动距离增加了。

由于“光速不变原理”，观测者无论处于什么样的运动状态，他所观察到的光速都是相同的，所以地面上的观测者所观测到的光子，其每完成一次反射所用的时间就是√（h^2 + x^2）/c。

另一方面来讲，对于飞船上的观测者来讲，光子钟之内的光子却没有平移速度，所以他观测到的光子，其每完成一次反射所需要的时间仍然是h/c，也就是说，飞船上的每度过h/c的时间，地面上却会度过√（h^2 + x^2）/c的时间。

显而易见的是，√（h^2 + x^2）/c的值比h/c更大，而这也就意味着，对于地面上的观测者而言，飞船的时间流逝速度变慢了，据此我们还可以进一步推测出，飞船的速度越快，其时间流逝的速度就越慢。那爱因斯坦又是如何推导出引力会影响时间流逝速度的呢？我们不妨用另一个思想实验来进行说明。

假设有一个人位于一个无法观察到外界的封闭空间里，现在这个封闭空间位于地球表面，那么他当然会感觉到地球的引力。

现在我们把场景转换一下，把这个人所在的封闭空间放在一艘飞船里，而这艘飞船则处于失重环境中，并且一直在以与地球重力加速度相同的加速度飞行，在这种情况下，这个人同样也会感受到一种力。

尽管这种力其实是一种被称为“惯性力”的虚拟力，其本质是物体惯性表现，但假如这个人事先不知道外界的情况，那么他就无法区别自己所受到的力到底是地球的引力，还是飞船的加速度产生的“惯性力”。

这个思想实验就表明了，一个引力场中的参照系与一个具有加速度的参照系是等价的，而这也被称为“等效原理”，实际上，在爱因斯坦提出的《广义相对论》里，这个原理是一个基本原理，也是该理论的核心原理，根据该原理就可以推导出，既然速度会对时间流逝的速度产生影响，那引力场当然也可以，并且引力越强，时间流逝的速度也就越慢。

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