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时空扭曲越大时间越慢为什么

放大字体  缩小字体 发布日期:2023-06-07 07:24:09
导读

‘壹’ 为什么在巨大的物体旁时间会变慢这是由于时空的扭曲。首先,不是巨大的物体,而是质量特别大的物体,巨大物体如果其密度足够小,那是无法产生时空扭曲的。根据广义相对论,万有引力场能够使得时空产生扭曲,(可以由狭义相对论进行推导,最直观的实验是日蚀的时候一颗恒星的位置变动了三个角秒(事实上几百万年才能

‘壹’ 为什么在巨大的物体旁时间会变慢

这是由于时空的扭曲。
首先,不是巨大的物体,而是质量特别大的物体,巨大物体如果其密度足够小,那是无法产生时空扭曲的。
根据广义相对论,万有引力场能够使得时空产生扭曲,(可以由狭义相对论进行推导,最直观的实验是日蚀的时候一颗恒星的位置变动了三个角秒(事实上几百万年才能稍有变动),这与广义相对论预测的一摸一样,有力证明了广义相对论)

根据爱因斯坦的第二种相对性理论(1916年),引力是由空间——时间几何(也就是,不仅考虑空间中的点之间,而是考虑在空间和时间中的点之间距离的几何)的畸变引起的,因而引力场影响时间和距离的测量。

而狭义相对论和牛顿三定律则是其特殊情况。

时间变得慢了其实是我们看到的变慢,并不是真实时间变慢,(这可以参考狭义相对论中的洛伦兹收缩)。对于我们看到的所谓变慢的时间中的物体,他们并没有觉得自己变慢了。

牛顿三定律,伽利略变换,狭义相对论,洛伦兹收缩,闵可夫斯基空间,广义相对论,最终才能完全理解所谓“时间变慢”这一现象。

‘贰’ 相对论中的引力场,是怎样导致“时间变慢”的

我们详细讲解了狭义相对论中时间变慢效应,当你看一个高速运动的物体,你会发现它的时间变慢了,而这个变慢效应本身也是相对的,意味着你如果本人在这个物体上,看这个高速运动的物体时间不会有任何变换,因为你参考系换了,物体相对于你速度是0,等效于你在地面上看一个相对于地面静止的物体一样,你不会感觉时间会变慢。

‘叁’ 为什么引力越大的地方时间越慢而不是越快

‍‍用具体公式解释这一问题如果有想从具体物理公式或者深入了解的朋友,可以接着看看。

引力红移公式为:这一方程。

到这里仔细看的人会有一个疑问那就是,速度会让时间变慢,引力也会让时间变慢这两者有什么不同?其实我们只要稍微放开思想就好了,确实都会让时间变慢只不过是方式不同罢了。如果非要问有什么联系:V^2=GM/R!‍‍

‘肆’ 当物体靠近黑洞时,它的时间就会过得极慢甚至停止,这是为什么

这是一个相对令人头疼的问题。我们需要了解爱因斯坦相对论中非常抽象的时间概念,在相对论体系中,我们的时间和空间之所以被称为“时间和空间”,是因为时间和空间是由时间和空间组成的,它们是一个不可分割的,任何脱离时空体系的对时间的描述都是单方面的。简而言之,时间对于时空来说是可变参数,由于对象的重力和对象的移动速度而可以更改。

如上所述,从固定参考系的观察者的角度来看,物体的重力拉力越大,其经过的时间越短。根据“引力时间扩展效应”,当我们在静止参照系中观察靠近引力天体的物体时,例如黑洞,当物体靠近黑洞时,时间会变慢慢一点由于黑洞的重力几乎是无限的,因此该物体的时间将无限接近零。因此,从我们的角度来看,这个物体似乎永远不会进入黑洞。

‘伍’ 为什么引力越大时间越慢,时间不应该是客观而不是主观的吗

引力大时间走得越慢 ,按照广义相对论来解释的话比较形象,因为引力是时空的几何。引力大小本质上就是说时空的扭曲度(曲率、密度)的大小。时空的曲率和密度如何影响时间的流逝,我们后面详细来说。

至于时间是否应该是客观的或者主观的 ,我必须说,不要犯二元对立主义的认识错误。不要认为主观的东西和客观的东西只能非黑即白,因为人的一切认识都是主观和客观的混合物。



为什么引力越大时间越慢?

引力的本质是时空的几何,广义相对论的这种理解形象地解释了引力的一些性质(但请注意理论只是一种认识方式,永远不能替代真相),这简化了理解的难度,让引力这种抽象的东西变得形象。简而言之,引力是时空“形变”的结果。这种形变从某种意义上讲可以类比我们日常可见的一些物体形变的现象,但不能完全等同,因为时空是四维的,而我们看到的物体是三维的。

四维的时空是个什么情况呢,个人总结了一下关于此问题的认知供大家参考:


相对性 很可能是运动的基本属性,没有相对,也就没有运动,这是定义运动绕不过的特征。而时间是由运动来表征的,到现在为止所有的物理现象都无法割裂运动与时间的关系。因此时间似乎与运动的本质是一体的,也就是说时间的相对性与运动相对性实际上是一个东西,甚至 时间跟运动都源自同一个物理事实。 于是,我们的时空当中的现象就是在彼此参照的情况下相互作用的。

上图:“难懂的”时空间隔不变性提出,运动实际上是时空的跨度(虽然教科书上说运动是空间距离与时间之比)。如果宇宙真的是四维时空,那么一切物体运动初末状态相同时,无论是采取何种运动方式,经历的时空间隔应该是相同的。一对双胞胎同时出发不管他们怎么运动,最后回到原地,他们的“时空间隔”是相同的,但是可能一个双胞胎走的空间距离多一些,相对另一个走的时间距离就会必然多一些,所以一个老得快一些,因为它运动的空间距离少。



还可以换一个角度来看光与运动的关系。如果我们把光认为是静止的,即光实际上是固定在时空的网格上的,那么我们可发现实际上发现我们和一切物质是在以接近光速的速度在时空中朝着时空的中心“塌缩”的:宇宙并没有膨胀,而是宇宙中的物质在无止境地塌缩——这种情况和黑洞内部的情况有多么相似!我们会觉得整个宇宙都被强大的引力吸引着向一个“奇点”塌缩。

上图:宇宙就像是一张皱巴巴的布料。我们地球所在的区域太小,看起来就像是很平坦的,但放到全宇宙的大尺度上,宇宙非常地扭曲。扭曲得厉害的地方就是物质聚集得多的地方。


所以实际上,引力与时空的运动模式密切相关,下面举几个象征性的例子:

时间是客观还是主观?

前面已经说了,这并非是一个非黑即白的问题,而且这种“说不清楚”也并不局限于人类主观心理认知和宇宙物理客观存在这两个领域之一,无论从物理还是心理,都无法简单用客观还是主观来给时间定性。二元论是人类给自己加上的一种思维陷阱。难道就不能存在某种 既主观又客观 的东西吗?难怪很多人都很难理解“波粒二象性”或者量子的不确定性。


在闵可夫斯基时空中,时间也是 “主观” 的,或更确切地说,每个物质粒子/参考系的时间都不同。时间总是以观察者的坐标来度量的。在闵可夫斯基之前,人们以为每个人的时间都是相同的,但是现在我们知道,观察者的最轻微的运动都会破坏其他观察者的同步性。每个公共 汽车 司机的时间都过得比监狱里面的囚犯慢,因为司机不时在移动,即使这两者之间的差异是不可察觉的。这种时间差异是实实在在存在的,会直接导致双胞胎在不同的时空当中旅行之后年纪不同。运动的 历史 是时间不同的根本原因。除非两个物体之间没有相对运动,也就是说相对静止,那么任意两个物体之间的时间都不可能绝对同步。 (相对)静止等同于(相对)时间的静止,这完全符合时间的原理和哲学。

时间是我们的神经系统通过各种感知推断出来的一种认知。人类大脑对于时间的认知会随着神经系统的状态以及心理状态而改变,诸如年纪、情绪等等,诸如:

总结

这个问题可以分成两个问题来回答。一个是为什么引力越大时间越慢?另外一个是时间到底是客观还是主观的?

先说时间到底是客观的还是主观的?

严格来说,人类所有的客观认知都是主观的。这个世界上没有绝对的客观。一切认知无非是立场不同。

你或许认为身边的桌子总该是实实在在的吧,但桌子的概念也因人而异。如果继续问这个桌子是由什么构成的,你可以层层推进得出它是原子构成的结论,甚至是一堆夸克与电子,但夸克与电子又是什么构成?目前的科学就没办法回答了。

弦理论认为是一根根的弦,但这种无法被检验的描述。对大多数人来说,这更像一种主观认知。也就是说任何事物只要追根溯源,我们对于它的主客观的界定会变得越来越模糊。或者说,客观认知可能只存在于宏观世界,微观世界我们无法经验也就无法界定。

时间的概念很难界定主观和客观,其根本原因就在于“时间为何物?”是探究宇宙的一个根源问题,没有人能给出一个简洁有力的客观定义。

从日常角度来理解,为何我们需要时间?

我们知道,要定位一个物体的位置需要三个空间坐标,但在实际生活中,我们需要描述的不仅是物体的位置,而是要描述或者记录许许多多的事件。为了描述一个整体的事件就必须要引入第4个坐标,也就是时间坐标。

没有它,我们就无法完整叙事、计划人生、安排工作……在爱因斯坦之前,我们一直认为时间这把尺是绝对刚性的、不变的,它与空间可以分割、独立。

然而有运动变化,时间才有实际应用的意义,而运动又需要空间这个舞台,所以时间就不可能完全脱离和独立于空间,时间与空间必然结合在一起,形成一个时空的客体。

单独谈时间没有意义,时间与空间组合在一起才能描述这个宇宙。时间只是时空的一面,而时空也不能独立于物质单独存在,物质又无时无刻不在运动,运动需要时间来描述。它们之间就形成了一种难以溯源的依存关系。

如何判定,决定于你以何为源点,而我们没有理由认为一个人的立场一定比别人更优越。

闵可夫斯基时空图

爱因斯坦的老师闵可夫斯基提出了一种时空图概念来描述这个世界,每一个事件都可以做成一个时空光锥。

上图为池塘表面上散开涟漪的时空图,扩展的水波在空间与时间方向上运动画出一个圆锥。

以任何一个事件P点出发的光画出的光锥。上方是未来光锥,光锥内是以事件P点为原点可能引发的所有未来;下方是过去光锥,光锥内的所有事件集合就是P的过去。

因为相对论限定了任何物质的速度无法超过光速,所以最大光锥面代表了光的运行轨迹。可以说一切命运尽在光锥之内。 物理学研究的也不过光锥内的世界,而光锥外则是人类的不可知及不可测。

不过这些概念与时间概念一样,只是我们用来认知世界的一种思想工具而已。

所以客观的来说,时间是不存在的,但时间概念是存在的,而爱因斯坦把时间概念与空间概念合并成为了时空概念。

再说引力越大时间越慢,是怎么回事?

爱因斯坦革命性的思想,表明引力不像其他的力,它只不过是时空并不平坦这一事实的结果。

时空扭曲的原因正是时空中的质能分布,天体并非是由于引力导致它们在弯曲的轨道上运动,它们实则一直在以直线运动,只是时空被弯曲而已,而为了区别我们日常认知中的直线,我们将这种在扭曲时空中的直线轨迹称为测地线。

也就是说,在广义相对论中,天体总是沿着四维时空的直线运动,但在三维空间中,我们看见它们是在转圈。这就像飞机的飞行航线一样,飞机在三维空间中沿直线飞行,但在地面上投影的航线却是弯曲的。

时空的形变导致了时间流速的变化。如果非要把时间拎出来说,在像地球这样的大质量物体附近,时间之所以流速更慢,是因为光的能量和它的频率有一种关系:能量越大,频率越高。

当光从地球引力场经过,它会失去一部分能量,而使得频率下降,这表明两个相邻波峰之间的时间间隔变大了。在高空的人会看见,地面上发生的每一件事似乎都变得迟缓了一点。

1962年,人们就曾在一个水塔顶端和底部分别放了两个非常准确的钟来验证这个预言,发现底部的钟确实走得更慢。而且现在以卫星信号为基础的GPS导航系统也证明了这一点,如果我们无视广义相对论,那我们的定位系统将差之毫厘谬以千里。

总结

说到时间,有时大家还喜欢谈论其起源与终结,这涉及宇宙的诞生与末日。事实上,没有空间与时间概念就不能谈论宇宙的事件,在宇宙之外讲时间与空间也没有任何意义。

现在的时间与空间被认为是每个目标物体的动力量,万物根据它的位置与运动状态而具有自己唯一的时间流速。

当你说,引力越大时间越慢时,首先要弄清楚,一,时间是怎么测量出来的?二,时间的变化又是怎么测量出来的?

时间测量,还不简单,不就是用时钟来测量吗?我再补充一句,物理学上的标准时钟,被物理学家们规定为一个特定的铯原子的周期性振动(辐射),这个铯原子在给定的次数内的振动所持续的时间,就是1秒。

现在讨论第二个问题,请问,时间变慢是指这个标准时钟的走时变慢了吗?如果这个标准时钟的走时变慢了,请问,怎么测量?你有一个比这个标准时钟更精确的时钟?谁承认你这个时钟更标准?假设你说服了大家,所有人都承认你手上这个时钟是世界上最标准的时钟,只有你这个时钟测量出的时间才是世界上最标准的时间,那么请问,原来的那个时钟,那个原来作为标准,现在大家又不承认是标准的铯原子钟,所测量出的时间,还能是标准的时间吗?它的变慢,还能被说成是时间变慢了吗?对于这个现在大家新公认的标准时钟,它会变慢吗?如果会,又是以谁为标准测量出来的?如果会,它还能是标准时钟吗?它的变慢还能是时间变慢吗?

你说,引力场中的时间变慢,是相对于无引力场中的时间而言的。这实际上是说,你用一个无引力场中的标准时钟,作为你测量的标准,去测量位于引力场中的另一个标准时钟,发现引力场中的那个标准时钟变慢了。不讨论你具体是怎么进行测量的,假设你确实有办法不用把A钟拿到引力场中,就能测量出引力场中的B钟变慢了,也就是说,A钟也能用于引力场中的时间测量,你为什么不把A钟也作为引力场中的标准时钟,不把A钟的走时,作为引力场中的标准时间呢?这样,引力场的区域和非引力场的区域,就有了一个统一的标准时间,这不更方便吗?

你可能会这样说,尽管引力场和非引力场可以有一个统一的标准时间,但引力场中的所有的物质运动变化过程都变慢了,我们把它说成是引力场中的时间变慢了,有何不可?且慢,我们现在能够肯定的只是,也就是我们现在实际测量到的只是,引力场中的那个时钟B,它的走时过程,它的运动过程变慢了,至于其它的物质运动变化过程,是不是也变慢了,也与时钟B同步的变慢了,还不能肯定,这需要对所有其它的物质运动变化过程进行实际测量才能确定。

即使引力场中的所有物质运动变化过程,与时钟B同步的变慢了,那也只是物质运动变化过程的变慢,不是标准时间的变慢,而且,引力场中的物质运动变化过程的变慢,是以一个恒定不变的标准时钟,在引力场中也恒定不变的标准时钟,即A钟,为测量的标准,所测量出来的。如果把引力场中的物质运动变化过程的变慢说成是时间变慢,那就等于混淆了物质运动变化过程的测量结果,和测量时所依据的标准,就会产生严重的逻辑混乱,例如,时间就可以弯曲,你就可以回到从前,杀死从前的你。

引力场使物质运动变化过程变慢,如同引力场使运动的物体加速或减速一样,是引力场对物质运动变化过程的影响,不是时间变慢,而且,引力场中的物质运动变化过程的变慢,正是以一个恒定不变的标准时钟,在引力场中也恒定不变的标准时钟,为测量的标准,所测量出来的。


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