广义相对论中的时间膨胀效应是什么？

怪罗科普：广义相对论中的时间膨胀效应是什么？

2016-07-07 16:02   By 影哥传说

广义相对论的概念是科学领域中的一个最有趣话题之一。你可能听过这个概念，在接近光速时会发生奇怪的事情。物体长度的奇怪变化、波长的奇异偏移，而最令人费解的是时间膨胀效应：基于你的速度与别人之间的差别，你可以经历更多或更少的时间。而更为离奇的是，就像我们在电影《星际穿越》中看到的那样，只是花了点时间去接近一个诸如黑洞的巨大天体时，就会导致这种同样的相对论效应。

难道是因为质量和加速度在某种程度上是一样的吗？老实说，这足以令人头痛不已。

在物理学的历史上有一个很伟大的轶事。英国的亚瑟·爱丁顿爵士是20世纪最著名的天文学家之一，由大卫·田纳特在2008年电影《爱因斯坦与爱丁顿》中饰演。如果你还没看过的话，强烈推荐你去看下。总之，爱丁顿曾首次提出恒星通过核聚变产生能量，并在1919年的一次日全食观测中亲自证实了爱因斯坦广义相对论的预言是正确的。

有人在亚瑟·爱丁顿爵士的一次演讲中问道：“爱丁顿教授，您一定是世界上理解广义相对论的那三人之一。”

他停顿了一会儿，然后说道：“是的，但我在想这第三个人是谁。”

电影《爱因斯坦与爱丁顿》：爱丁顿（左），爱因斯坦（右）

关于光的其中一点是无论你处于什么参照系之中，无论你如何在宇宙中穿行，你测得在真空中的光速总是相同的，速度大约为每秒三十万公里。为此，如果你正相对于我而移动，或者如果我正相对于你而移动，我们各自参照系中的时间和空间需要发生变化以保持光速恒定。如果我加速远离你，那我的时间相对于你而言看起来放慢了。同样地，你的时间相对于我而言看起来也变慢了。时间膨胀效应是保持光速恒定的必要。

那这只发生于当你移动之时吗？

时间膨胀不仅出现于相对运动，它也会因引力的缘故而出现。爱因斯坦的相对论指出引力是时空弯曲的一种属性。所以当有质量大如地球时，它实际上会弯曲空间和时间。因此，如果你站在地上，你的时间看起来比在太空上的人走得更慢，这是因为两者之间的引力差异。这对地球而言效应并不明显，但像黑洞等天体可以引起巨大的效应。当你越来越靠近一个黑洞时，你的时间将会看起来越来越多地放慢。

利用时间膨胀效应进行星际旅行

这对于太空旅行意味着什么？

很多时候在科幻小说中，你会看到这样的情节：火箭以非常接近光速的速度在移动，并利用时间膨胀前往遥远的恒星。但实际上通过引力亦可达到同样的效果。如果你有一个黑洞跟你一起飞向另一个恒星或星系，你实际上可以把飞船置于非常靠近黑洞的轨道运动。而你的时间将看起来被放慢了。因此当你绕着黑洞运动时，黑洞会以这放慢的时间把你送往另一个恒星或星系，而这在你看起来速度是非常快的。所以这就是使用时间膨胀实现星际旅行的另一种方式，至少在科幻小说中是这样的。