时间膨胀：为什么引力会减慢时间的流动?

1905年春天，沉默寡言的爱因斯坦在离齐特格洛格塔‎几英里的地方登上了一辆电车回家。齐特格洛格塔‎是俯瞰伯尔尼的豪华钟楼。爱因斯坦那时候仅仅只是专利办事员的人，结束了他的工作，一有空就开始思考宇宙的真理。当我们嘲笑他们的思考为白日梦时，我们虔诚地称他的幻想为思想实验，这完全是爱因斯坦的天才之处。他的一个思想实验改变了现代物理学。

爱因斯坦想象过如果有轨电车以光速行驶会发生什么。看到宏伟的钟楼，爱因斯坦意识到，如果他以每秒18.6万英里的速度旅行，移动的时钟指针现在看起来会完全凝固。与此同时，爱因斯坦畅想里，在钟楼上的指针会按惯例转动——时间会正常运转。然而，对爱因斯坦本人来说，时间是慢下来的。他的结论是，你在空间中移动的速度越快，你在时间中移动的速度就越慢。

这怎么可能呢?

爱因斯坦深受两位伟大物理学家著作的影响。首先是他的偶像牛顿发现的运动定律，其次是麦克斯韦提出的电磁定律。然而，这两种理论是相互矛盾的。麦克斯韦假设电磁波的速度，比如光的速度是固定的——高达每秒18.6万英里。他声称这是关于宇宙的一个基本事实。

然而，牛顿定律暗示速度总是相对的。一辆以40英里/小时速度行驶的汽车相对于静止观测者的速度是40英里/小时，但相对于一辆以20英里/小时速度行驶的汽车，它的速度只有20英里/小时，或者对从相反方向呼啸而过的同一辆车，时速60英里，当把这个相对速度的概念应用到光速上时，它与麦克斯韦明显的基本事实是不相容的。这让爱因斯坦进退两难。

这一矛盾导致爱因斯坦提出了一个令人难以置信但也是物理学历史上最具开创性的论断——当然，这是一个完全不令人惊讶的理论。要理解这一矛盾以及时间为什么会变慢，请考虑另一个巧妙的思想实验，这绝对是爱因斯坦最好的思想实验之一。爱因斯坦想象一个人站在站台上，两道闪电击中他的两侧。这个人就站在这两点的中间，同时观察从两边射出的光束。

然而，当一个火车上的人以光速经过这一幕时，事情就变得奇怪了。根据运动定律，离火车较近的门闩发出的光会比离火车较远的门闩发出的光更早到达人的身体。两个人对光速的测量在大小上是不同的。但是，根据麦克斯韦的理论，无论观察者的运动如何，光的速度必须是恒定的——这是宇宙中所谓的“基本”事实，这怎么可能呢?

为了弥补这种差异，爱因斯坦提出，时间本身会减慢，这样光速就会保持恒定。与站台上的人相比，火车上的人的时间过得慢一些，爱因斯坦称之为时间膨胀。

引力时间膨胀

爱因斯坦称他的理论为狭义相对论。它很特别，因为它处理的是恒定速度。为了使其与现实世界相协调，在现实世界中，物体总是在加速和减速，他需要调查他的理论在涉及加速时的反响。这种概括和解释所有普遍现象的努力使他发现了时间和引力之间的关系；他把这个新发现的引力理论称为“广义相对论”。

牛顿认为时间的流动就像一支箭；它只坚定地朝着一个方向前进。有轨电车上的爱因斯坦假设时间与速度成反比。就其延展性而言，它应该像空间一样，有自己的维度。事实上，爱因斯坦声称这两者是一体的，是同一件事，是一种灵活的四维结构，宇宙的事件都是在这个结构上展开的，他称之为时空结构。当爱因斯坦发表了他的研究成果时，他得到的反应和人们在这样一项惊人的研究成果发表后会得到的反应是一样的——怀疑。

根据广义相对论，物质拉伸和收缩时空的结构，这样物体就不会被神秘地拉向地球中心，而是被上面扭曲的空间向下推，时空的曲率模拟了一个斜坡，使向下移动的物体加速，尽管加速度在所有点上并不相同，地球表面的重力更强，那里的曲率比它的边缘更强烈。

A说，如果我们向下移动时，重力增加，自由落体在表面的某个点上下降的速度比在高空下降的速度要快。对于自由落体，根据相对论，B 的时间过得必须比在 A 时过得慢，因为 B 的物体速度更快。

时间是什么？

那么正确的时间是什么时候呢？ 嗯，没有。 爱因斯坦假设没有绝对的时间。 时间是相对的，取决于一个人所受的力系统，正式称为参照系。 在您自己的框架中运行的时间称为正确的时间。 如果所有观察者的运动定律必须相同，无论他们的动作如何，那么时间必须减慢，这样你移动得越快，时钟相对于另一个时钟运行得越慢。 这就是安妮·海瑟薇在星际中所说的，她在降落在一个遥远的星球上后对马修·麦康纳说：”在这个星球上一小时是在地球上7年。

再次参考爱因斯坦在有轨电车中的思想。 时钟变慢是对我们原始神经系统的限制，还是时间真的变慢了？ 时间变慢意味着什么？ 时间的反复无常迫使我们问：时间本身是什么？这不只是讨厌的哲学本科生在兄弟会聚会上互相问的问题。 从古代起，时间的概念就一直困扰着自然哲学家和物理学家。

时间的主要功能是按时间顺序记录事件。 然而，直到最近400年，人们确定时间的假设是恒星绕着我们转，而不是地球绕着它们转。 尽管《时代》的推断依据不正确，但它仍然表现良好。 它起作用是因为日子和季节可以预测地重复，当你有一些可以预测地重复的东西时，你就有了一个计时机制。

伽利略利用这种机制的递归特性来计算运动。如果不参考时间，描述运动是不可能的。然而，这一次并不是绝对的。甚至在牛顿提出运动定律时，他也引入了一个时间概念，即两个时钟不是以绝对的、独立的时间步调前进，而是相互配合。同步是我们建造如此精密和精确的原子钟的原因。

这种时间的概念是建立在同时性上的，即两件事情的同时性或关键的巧合，例如火车到站，以及火车到站时时钟指针的独特排列。爱因斯坦的理论指出，这些巧合一定受到一个人的运动方式的影响。如果站台上的两个观察者和火车上的两个观察者不能就同时发生的事情达成一致，那么他们也不能就时间本身如何流动达成一致!

为了理解运动对可预见性的影响，让我们考虑一下最简单的计时机制。 想象一个计时装置，它由一个光子组成，在两个距离有限的镜子之间来回反射。 我们同意光子反射的时间是一秒。 现在，在地球上方和表面的A点和B点(上一节讨论过)挂两个这样的时钟，让它们在自由落体经过它们时测量时间。 自由落体用一个类似的时钟来测量在自己的参照系中经过的时间。 他们测量的是什么?

观察光子在两块移动的镜子之间的反射，类似于观察网球在移动的火车上弹跳。即使对于火车里的人来说，球是垂直弹跳的，但对于外面静止的观察者来说，球弹跳成三角形。

当仪器向前移动时，光子在第一次被释放后，就像球一样，在被反射后似乎移动了更长的距离。因此，我们对时间的测量已经扭曲了，此外，仪器移动得越快，光子反射的时间就越长，从而延长了一秒钟的持续时间。这就是为什么时间的流点B是低于A点(记得,由于重力,物体下降速度比A点B点)。这可编程图形描绘三角形光子的运动，因此延迟时间的流动现象非常明显。

当然，差别是无穷小的。山顶上的时钟与地球表面的时钟所测量的时间之差是纳秒。尽管如此，爱因斯坦的发现还是具有开创性的。重力确实阻碍了时间的流动，这意味着质量越大的物体，其附近的时间过得越慢。

话虽如此，选择光钟来证明这一点似乎很方便，因为整篇文章都在谈论光的减慢。然而，时间膨胀影响着每一个时钟，无论是最简单的电磁现象，还是电磁和牛顿运动定律的复杂组合。广义相对论的普遍性保证了这一点。事实上，甚至生物过程，也就是时间，都是膨胀的。

是的，你的头比脚稍微老一点!

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