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终极问题:时间是什么?爱因斯坦用五种理论解释时间

1相对论时间

爱因斯坦发表相对论以来(1905年狭义相对论,和1916年的广义相对论),我们对时间的理解已发生了巨大的变化,传统的绝对时空取代了时间的一维时空的概念。源自爱因斯坦提出了狭义相对论,和动态弯曲时空的广义相对论。

这是爱因斯坦的智慧,他意识到光速是绝对的、不变的并且不能超过(事实上光速比任何时间和空间都更重要)。在相对论中,时间无疑是构成宇宙结构的一个不可分割的组成部分,它不可能与宇宙分离,但是,如果光速是不变的和绝对的,爱因斯坦意识到,空间和时间必须是灵活的,并且相对于适应这一点。

尽管爱因斯坦的许多工作经常被认为是“困难的”或“反直觉的”,但他的理论已经证明(在实验室实验和天文观测中)是一个非常精确的现实模型,确实比牛顿物理学更准确,并且适用于更广泛的环境和条件。

2关于时空

爱因斯坦的狭义相对论的一个方面是,我们现在知道了,空间和时间是将不可避免地合并为四维时空,而不是三维空间和一个完全不同的时间维度。

笛卡尔在17世纪,经典物理学家。正是有了这一认识,时间有效地成为了在时空中指定物体位置的坐标的一部分。

闵可夫斯基引入了恰当的时间概念,即两个事件之间的实际运行时间,这是通过两个事件的时间来测量的。因此,适当的时间不仅取决于事件本身,也取决于事件之间的时钟的运动。

相比之下,闵可夫斯基所谓的“坐标时间”是两个事件之间的明显时间,这是由一个遥远的观察者来测量的,使用观察者自己的方法来分配时间。现代物理学家所以不要把时间视为“通过”或“流动”的传统意义上说,也不是时间发生的一系列事件:过去和未来都是简单的“有”,提出了作为四维时空的一部分,其中一些我们已经访问了,有些没有。

根据相对论,一个“现在”的感觉,尤其是沿着时间的“现在”,似乎“流”,因此出现了纯粹的人类意识和我们的大脑,也许作为一个进化工具来帮助我们处理我们周围的世界,即使它没有实际上反映了现实。正如爱因斯坦自己所言:“像我们这样相信物理学的人,知道过去、现在和未来之间的区别只是一种顽固的幻觉。”

然而,如果时间是一个维度,它看起来就不像是三维空间的维度。例如,我们可以选择在空间中移动,但我们的移动时间是不可避免的,无论我们喜欢与否,我们都是这样做的。事实上,我们并不是真的在时间上移动,至少不像我们在太空中移动那样。

在广义相对论中,当爱因斯坦意识到也许引力不是时空的场或力,而是时空本身的特性时,时空的概念进一步得到了完善。因此,时空连续体实际上是被质量和能量扭曲和弯曲的,这是我们认为是重力的扭曲,导致了一个动态弯曲的时空。在质量非常大的区域,如恒星和黑洞,时空是由质量的极端引力弯曲或弯曲的,这一观点经常被一个保龄球的重量扭曲的橡胶板的图像所阐明。

3关于时间膨胀

同样,由于爱因斯坦的工作和他的狭义相对论,我们现在知道,根据相对运动,时间的速度实际上是不同的,所以时间实际上以不同的速度以不同的速度以不同的速度传播,这是一种被称为时间膨胀的效应。

因此,如果两个同步时钟相对于彼此移动,就不一定保持同步。在空间维度中有一种相关的效应,即所谓的长度收缩,即移动的身体实际上是在旅行的方向上的收缩。时间膨胀(以及相关的长度收缩)可以忽略不计,但在我们周围的世界中,它几乎是不可察觉的,尽管它可以用非常灵敏的仪器来测量。

然而,当物体的速度接近光速(被称为相对论速度)时,它就变得更加明显。如果一艘宇宙飞船能以99%光速的速度飞行,一个假想的观察者会看到飞船的时钟移动的速度是正常速度的两倍(也就是说,协调时间的移动速度是正常时间的两倍),而宇航员们则在缓慢移动的过程中移动。

在光速的99.5%的情况下,观察者会看到时钟的速度比正常的慢10倍。在99.9%的光速下,这个因子大约是22倍,在99.99%的情况下,在99.9999%的情况下,呈指数增长。在目前使用的最大粒子加速器中,我们可以使时间慢下来10万倍。以光速本身,如果真的有可能达到这个目标,时间就会完全停止。

也许最简单的理解这个困难概念的方法是,当一个物体或一个人在时空中移动时,它的运动“分享”一些空间运动的时间运动,就像一些向西北运动的向西运动一样。这一维度的共享是光速的不变性质(略小于30万千米/秒),这是一个永远无法超越的宇宙的基本常数。

因此,在某种意义上,以相对论速度减慢的时间,是为了“保护”不可侵犯的宇宙速度极限(光速)。

虽然一艘宇宙飞船旅行以接近光速的速度需要100000年达到一个遥远的恒星100000光年根据时钟在地球上,宇宙飞船的宇航员可能几乎所有年龄他游历整个星系。

因此,相对论时间的这种特性引发了很多关于时间旅行的可能性的讨论(请参阅时间旅行的单独部分)。

根据爱因斯坦的理论,时间是相对于观察者的,更具体地说,是观察者的运动。这并不是说,在某种程度上都是反复无常的或随机的性质——它仍然是由物理定律和完全可预测的表现,就像牛顿不是绝对的和普遍认为绝对时间,事情并不是像他相信那么简单明了。

一些评论家,如基督教哲学家威廉·莱恩克雷格认为,可能会有需要区分的现实时间和测量时间:根据这种思路(应该提到,不是一个主流的位置在物理),时间本身可能是绝对的,但是我们必须相对测量它的方式。

相对论的一个牺牲品是同时性的概念,两个事件的性质同时发生在一个特定的参考系中。

根据相对论物理学,同时性并不是事件之间的绝对属性,就像以前一直被认为是理所当然的那样。因此,在一个参照系中同时存在的东西不一定在另一个框架中同时存在。对于以正常速度移动的物体,其影响很小,通常可以忽略(因此同时性通常可以被视为绝对属性);但是当物体接近相对论速度(接近光速)时,这种直觉的关系就不能再被假定了。

4引力时间膨胀

当爱因斯坦把他的狭义相对论扩展到他的一般理论时,很明显,在强烈的引力作用下也会出现类似的时间膨胀效应,这种效应通常被称为引力时间膨胀。这就像是重力在某种程度上拉拽或拖拽时间,减慢了它的速度。物体离物体越近,它们之间的引力就越强(根据艾萨克牛顿第一次发现的反比定律),因此时间拖得越久。

这些影响是可以忽略不计的类型的重力差异在日常生活中经历:尽管从技术上讲,一个人住在一楼的公寓年龄低于他们的双胞胎住在同一栋楼的顶层公寓(由于重力他们经历的差异),效果可能数量在一个完整的一生也许一微秒。然而,现代日常生活中有一个方面,我们确实体验到了重力时间膨胀的影响:它对全球定位系统(GPS)产生了明显的影响,我们现在很多人都依赖它来导航。GPS系统所使用的轨道卫星比地球表面的引力要小得多,而且移动速度也非常快,因此每天大约38微秒的时间扭曲效应必须被考虑进去,否则GPS就会很快地积累误差。

但是,就像宇宙飞船以接近光速的速度飞行一样,在黑洞边缘的极端重力环境下,大量的时间差异也会变得明显。黑洞以接近光速的速度旋转,将周围的物体拖拽,而黑洞的巨大引力能使时空弯曲并扭曲时空。在黑洞的“事件视界”——不返回的引力点——宇宙飞船上的一个假设的时钟(实际上是宇宙飞船本身的进程)会从外部出现,因为无限的时间膨胀效应而完全停止。在黑洞中心的重力奇点处,重力和密度是无限的,所有的物理规律都是被打破的。

时间有效地停止了,就像宇宙大爆炸的奇点一样(见时间和大爆炸的部分)。

5双生子佯谬

时间的扩张也产生了所谓的“双胞胎悖论”或“时钟佯谬”,即一个假想的宇航员返回从一个光速航行在太空中发现他的全职两个比他大很多岁(在相对论高速旅行只有允许宇航员经历,说,一年的时间,而地球上十年的时间)。由于时间膨胀效应,宇宙飞船上的时钟比地球上的任务控制时钟的时间要短。

真正的悖论,尽管,正如爱因斯坦解释说,来自这一事实(因为没有“首选”在相对论参考系)我们可以考虑旅行者飞船保持静止的,而地球拍摄下来,在接近光速的速度。爱因斯坦认为,在这种情况下,人们会认为宇航员比地球上的居民年龄要大得多。事实上,“悖论”是由马赫原理解释的:宇宙飞船正在以接近光速的速度从宇宙的大部分区域加速,而地球却不是这样。

因此,是宇宙飞船(和它的宇航员)经历了相对论时间的膨胀,而不是地球。

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