• 精选
  • 会员

在广义相对论中的时间膨胀

2019年4月9日  来源:scottcgi 作者: 提供人:ciye39......

在广义相对论中的时间膨胀

在广义相对论中,引力质量会让时空弯曲,时空弯曲意味着时间和空间一起被拉长,因此时间也就变慢了。

引力质量,就是物体互相之间吸引力大小的度量。

而引力质量,又等效于惯性质量,即在非惯性系的运动(有加速度的运动)——相当于产生了等效的引力质量,也会导致时空弯曲,让时间变慢——并且加速度越大,惯性质量越大,时空越弯曲,时间就越慢。

惯性质量,就是物体改变运动状态的难易程度的度量。

再根据,有速度有质量,就有动能(E=mv^2/2),动能即是能量,能量等价质量(质能方程,E=mc^2),所以相对质量,同样会引起时空弯曲,让时间变慢——并且速度越快,相对质量越大,时空越弯曲,时间就越慢。

相对质量,是测量有高速运动的物体时,得到的质量,也称为相对论质量。

而这也从另一个角度,解释了在狭义相对论中,为什么速度越快(相对质量越大,空间越弯曲),时间就越慢的原因所在。那么,相对速度一旦下降,相对质量就下降,时间膨胀效应就会减弱,即时间流逝速度就会下降,。

注意,如果没有静质量,只有能量,比如光子没有静质量,只有能量E=hv(h是普朗克常量,v是频率),是不能够产生引力质量的,此时的相对质量,也不能产生时空弯曲和引力——在广义相对论中,引力是时空弯曲的效应。所以,光子不会被引力所吸引,也没有时间概念,或理解为时间静止。

静质量,是测量低速静止物体时,得到的质量,也称为绝对质量。

那么与狭义相对论不同的是,在广义相对论中的时间膨胀,不是相对的,而是绝对的。意思就是:时间变慢了,无论在哪个参考系观测,时间都是变慢了。

最后,关于理论的验证,在现实中,广义相对论所预言的引力时间膨胀效应——引力红移,已经被天文观测所证实。

引力红移,是在强引力场中,天体发射的电磁波波长变长的现象。

质量与速度结合的时间膨胀

由前文可知,有静质量物体的相对运动,即有相对质量,产生了相对速度,这会产生狭义相对论的时间膨胀;而有引力质量,或是等效的惯性质量,即有了相对的加速运动,这会产生广义相对论的时间膨胀

其中,狭相的时间膨胀,是相对的,相对静止后,时间膨胀效应消失;广相的时间膨胀,是绝对的,相对静止后,时间膨胀效应不消失。

注意这里广相的相对静止,是指相对于引力场静止,即相对于有质量物体静止,或是相对于惯性引力场静止,即相对于匀加速运动静止,但本身处仍在匀加速运动——这样才能产生等效的惯性质量。

而时间膨胀效应不消失,就是指处在有质量物体产生的引力场附近,或是匀加速度运动时,时间的流逝速度变慢。如果是变加速度运动,则就会产生变化的惯性质量,时间流逝速度也会随之变化。显然,处在质量物体附近,时间流逝速度稳定,但流逝速度会与有质量物体之间的距离相关,即越靠近时间越慢,反之越快。

事实上,在现世界之中,我们要抵达一个相对速度,都必须经历加速或减速的过程,这就会关系到广义相对论,产生绝对的时间膨胀效应。

接来下,我们看一个思想实验(双生子佯谬)

双胞胎哥哥在地球上,弟弟从地球出发,加速到接近光速,然后相对地球匀速运动兜一圈后,再减速回到地球,那么此时弟弟就会比哥哥年轻,即待在地球上的哥哥要老。

这是因为,弟弟经历了加速减速的过程,此时对应了广义相对论的时间膨胀效应,即时间流逝变慢,会累积到弟弟的生物时钟之中——也就是他的细胞和基因的衰老进程变慢,即年龄增长变慢——但弟弟是肯定无法感觉自己衰老变慢的,因为他的整个生物进程都变慢,包括了他的感觉系统。

事实上,如果只用狭相来处理加速,而不用广相去处理加速,在数学上也是可以解释——弟弟更年轻,哥哥更老的。这时,我们需要把加速过程分解成无数个瞬间,接着把每一个瞬间都看成是一个处在不同速度下的匀速运动,接着套用狭相,对时间积分求解,就可以得出弟弟更年轻的结果了。

但显然,狭相是数学上的解读,广相的绝对时间膨胀,才是物理上的解读。不过呢,无论是广相还是狭相,都是从不同的角度,去描述同一个宇宙本质,所以它们才能得出同一个结果。

再来看一个,现实世界的实验:

把铯原子钟(每2000万年误差1秒),放到飞机上高空飞行一段,然后回到地球,对比地面上的铯原子钟,发现飞机上的铯原子钟,时间变快了。

这是因为,飞机上的铯原子钟,远离地球,也就是远离引力场,其时间膨胀要小于地面。于是,飞机上铯原子钟的时间流逝变快,这种变快会被时钟记录下来,等到回到地面的时候,时钟记录的信息就会因为——变快的积累效应,明显的多于地面铯原子钟的记录信息。

需要注意的是,飞机上的铯原子钟,飞行的时候对比地面,有相对速度,就会有狭相的时间膨胀,但等到飞机回到地面的时候,这个狭相的时间膨胀就恢复了,于此同时广相的时间膨胀也消失了——因为两个钟都在地面上了,此时两个时钟的时间流逝速度一样

只不过,在飞机上的时候,广相的绝对时间膨胀,被累积进入了时钟的记录信息,而狭相的相对时间膨胀却没有,因为狭相的时间膨胀需要——观测相对运动才能体现出来

最后,来看一个狭相与广相结合的实际应用:

全球定位系统(Global Positioning System,GPS),需要卫星时钟与地面时钟进行校准,这时候,卫星时钟会因为远离地面(远离引力质量),而时间膨胀小于地面,即时间流逝变快,但又因为卫星在轨道上相对于地面高速运动,而时间膨胀大于地面,即时间流逝变慢。

可见,这种情况下,狭相的相对时间膨胀,因为需要观测相对运动,所以需要被计入时间的校准计算。那么此时,狭相与广相结合起来的计算数值,才是最终卫星校准地面的数值。

事实上,如果不同时进行这两种时间膨胀的校准计算,那么GPS每进行12个小时的定位计算,结果就会出现大约7米的偏差。

微观角度的时间膨胀

从微观角度来看,如果认可了时间就是“某种变化”的计量,那么时间流逝的速度就是——“某种变化”的速度,那么自然,如果物质的“某种变化”速度不同,其对应的时间流逝速度,也就必然会有所不同。

事实上,如果没有静质量,也就没有了物质变化,此时速度就会抵达光速(比如光子和胶子),同时也没有了时间意义——可以理解为时间静止。

由此可见,时间计量的就是静质量变化的积累信息——这也就是时钟记录的信息的本质。并且,更多的静质量,时间变化就慢,更少的静质量,时间变化就快。

这也对应了,引力质量越大,即静质量越多,所以时间就慢;同理,惯性质量(由加速度产生)等效于引力质量,其越大,等效于静质量越多,时间也就越慢——这就是广义相对论结论。而有静质量的物体,其速度越快,等效的相对质量越大,时间相对的就越慢——这就是狭义相对论的结论。

从此我们可以看出,在狭相中,相对速度增加,并没有增大静质量,只是增大相对质量,所以,这种时间的膨胀效应,只是相对的,而不是绝对的。那为什么会出现这种相对性呢?

让我们追随第一原理思维,回到问题的发源地——时间是什么?通过前面的论述可知,时间是——静质量变化的积累信息,所以其本质上一定是信息。

那么,既然这样,来到信息的视角上,我们就会发现关于信息的一个基本事实。那就是,信息的传递是不能够超过光速的,因此信息的传递过程一定是需要时间的。

同时我们会发现,当我们测量时间的时候,其本质是在获取——相关的变化信息,比如粒子衰变信息;而获取长度,就是在获取——物体两端的空间位置信息。显然,我们获取这些信息的过程,是需要时间的,并且个时间会因为,物体的相对运动而产生变化。

于是,由此可以判断,在惯性系相对运动的物体,其物质本身——静质量,并没有变化,时间膨胀——是信息传递时间带来的效果,也就是说,被测物体的相对运动,影响了测量信息的传递过程。

这很好的解释了,为什么相对静止后,狭相中的钟慢与尺缩消失了——因为此时信息传递时间,不再受到相对运动的影响了。

所以,狭相中钟慢和尺缩的根本原因,就是信息传递需要时间。而钟慢与尺缩,互相等价协变,即时间变慢,空间就要变短,这是因为物质的静质量并没有真正改变——而时间变慢,理论上是静质量变多,此时空间变短,就是在压缩密度,以维持静质量不变。

可见,狭相中的钟慢与尺缩,都是信息传递出“影像”,而广相中的钟慢,是物质静质量的绝对改变,所形成的绝对时间变慢。当然,这种绝对变慢,在观测中,也可以被相对运动中的变快,所中和抵消掉。

那么,让我们再次回到,验证了钟慢与尺缩的μ子(Muon)实验,这次我们从微观角度来解读:

显然,Muon波的频率不同,就会影响其半衰期,而不同的参考系,观察到Muon的相对运动是不同的,相对运动不同,其体现的相对能量就不同(E=mv^2/2,v是相对速度),不同能量影响了Muon的频率(E=hv,h是普朗克常量,v是频率),最终影响了其半衰期。

最后,如果说时间变化是与静质量相关的,也就是时间是和自身状态相关的,从而所有物质的时间,都是相对的,而不是绝对的。又因为时空是不可分割的,时间是相对的,空间也就必然是相对的。

时间膨胀 / 时间静止 / 超光速 / 大脑的时间

如涉及版权,请著作权人与本网站联系,删除或支付费用事宜。

0000