引力时间膨胀_奇点天文奥秘

引力时间膨胀_宇宙时间奥秘
 
 
时间在时空中是如何流逝的呢？到 1911 年的时候，爱因斯坦就已经认识到，引力场越强，钟也就会走得越慢：钟离一个大质量天体例如太阳（或是一个超密天体比如黑洞，这样的效应更强）越近，比起另一个放置得很远的钟来，它就走得越慢。这个结论是由整个广义相对论得出的，称为引力时间膨胀，它不同于我们在狭义相对论中遇到过的时间膨胀效应。
 
这就给出了对爱因斯坦的广义相对论的第三个检验。一个原子可以被当做一只非常简单的钟——它里面的电子以极其准确的频率绕着原子核旋转，原子钟就是利用了这一自然现象。这就为科学家们提供了一个  
极妙的机会，通过一次实验就可以确定，全宇宙中是不是有一个“普适时间”。然而，并不需要把原子钟送到太空中去，让它作高速运动，也不需要把它放到太阳的巨大引力场附近，去验证相对论——它们已经处在实验位置上了。按照爱因斯坦的预言，太阳上的原子（更正确地说，是离子，即带电荷的原子）中的电子，它们的振荡频率比起地球上的要稍微慢一些。振荡频率的变慢，可以在离子的辐射中显示出来，也就是辐射的波长会变长一些。这确实已经在实验中得到了验证。虽然这个效应对于太阳来说很小，但是对于白矮星来说，就变得很显著。白矮星的质量和太阳差不多，但是半径却小很多，因此它表面处的引力场比太阳要强许多倍。已经在地球上接收到从白矮星的离子发出的光，由于引力场的这个效应，光辐射已经明显地红化。我们把这称之为引力“红移”。
 
与此类似，甚至于对地球上不同的地点，这个效应都可以被探测到，虽然它很微小。例如，放在美国国家标准局的一只原子钟，它位于科罗拉多的布尔德，离海平面 1650 米处，比起放在英国皇家格林威治天文台的另一只同样的原子钟，其海拔仅为 25 米，前者每一年比后者要快五微秒（即五个百万分之一秒）。这是因为离地球中心越近，引力场也就越强。美国马里兰大学的阿雷（ Carroll Alley）所做的实验，直接地显示了引力时间膨胀。他在 1975 年冬天所做的一系列实验中，用了两组原子钟。有一次实验他把一组钟留在地面上，另一组放上飞机，并让飞机在切萨皮克湾上空 9000 米高度处飞行。运动引起的狭义相对论效应在实验结果中被扣除了，这就是我们前面提到过的有关双生子佯谬的效应。结果发现，飞机上的时间每小时比地面上要快几个十亿分之一秒，这和广义相对论的预测完全相符。
 
我们也可以想像在引力场中的双生子佯谬，它类似于狭义相对论的情况。如果双生子之一跑到非常致密的天体（例如白矮星或者中子星）上去生活，他的兄弟仍然舒适地呆在地球上，则随着时间的迁移，前者的年龄增长会比后者要慢许多。注意这里也是直截了当地假定了年龄是增长的；相对论既然对时间的两个方向不加区别，因而也可以同样认为，留在地球上的那一个更快地变得年轻。跟以前谈过的一样，年龄增长的现象，是与单向、不可逆转的时间有关的，爱因斯坦的理论对此并没有给出解释。
 
 

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