愛因斯坦又對了?哪怕只是相差1毫米,時間也會發生膨脹

天空之城 2022/07/27 檢舉 我要評論

時間流逝的差異

《星際穿越》中,女主角墨菲的父親為了拯救人類,駕駛著飛船前往蟲洞到達了宇宙的另一個區域。

故事的[高·潮]從這里開始,直到最后,主角父親成功傳達信息幫助墨菲解開了 時間難題

而當他重新回到地球時, 女兒已是百歲老人,自己卻還是年輕時的樣子。

事實上出現這種情況 完全符合當今物理學的基本邏輯時間膨脹

對于人類而言,時間不過是一種主觀體驗中的基本參照物,過去幾個世紀在牛頓經典物理學中,人類還沒有具體闡述時間這一概念。

愛因斯坦與他的相對論

或者說將時間從物理層面推向現實,當經典物理撞向現代物理時,情況則發生了改變。

如今的物理學和相對論告訴我們, 時間膨脹是兩個時鐘的測量經過時間的差值

由于它們之間的相對速度,基于相對論中的時間膨脹關系,又或者是因為它們位置之間的引力時間膨脹導致。

通常來講,我們主觀體驗中的時間膨脹是速度造成的影響。

狹義相對論的時間計算公式

這也是愛因斯坦最初在計算時間膨脹時所采用的一個基本方法,同時也是 狹義相對論中的論述

將運動物體的速度v除以光速c,然后將結果平方。

此時的結果應該在0~1之間,再從1中減去這個值,然后取平方根,再反轉結果。

不過愛因斯坦在后來注意到有觀察者體驗到的 重力影響,受不同高度變化,物體自身所處的時間實際上有著很大的變化。

根據 引力時間膨脹、廣義相對論和加速參考系,物體的這三者表現存在共存。

航海者號因時間膨脹比其他衛星年輕

受引力質量不同距離帶來的實際差異, 引力勢越低,也就是時鐘越靠近引力源,時間也會越慢。

隨著引力勢的增加,時鐘遠離引力源,時鐘便會加速。

關于 引力時間膨脹,一個比較經典的例子便是 雙子悖論

雙子悖論假設中,一個同卵雙胞胎生活在地球上,其中一位雙胞胎以接近光速的速度往返于一顆遙遠的恒星。

當他們再次見面時, 由于引力膨脹帶來的影響,旅行中的雙胞胎會比呆在地球上的年輕得多。

雙子悖論中存在的問題

關于該 假設的悖論,人們錯誤地認為情況應該是對稱的,也就是兩個雙胞胎的年齡應該相差無幾。

換而言之,旅行中的雙胞胎相對于地球上的雙胞胎是靜止的,這意味著地球上的雙胞胎的年齡應該小于旅行者。

愛因斯坦早期在他的相對論研究中預測了這種效應,不過當時受條件現實,很難展開實際實驗進行證明。

不過在 20世紀下期,有科學家通過實驗驗證了愛因斯坦的引力時間膨脹。

引力改變時間

龐德-布雷卡實驗,它是由龐德和布雷卡兩人在 1959年提出。

該實驗的目的是通過證明光子在朝向引力源行進時獲得能量,以此來測試愛因斯坦的廣義相對論,而引力源的選擇則是地球。

這是 廣義相對論的最后一個經典測試,同時也是引力紅移的實驗證明,由實驗過程可以測量在引力場中運動的光的頻率變化。

龐德和助手布雷卡的引力膨脹實驗

實驗在 哈佛大學的杰斐遜實驗室進行,將含鐵固體樣本的伽馬射線儀放置在靠近建筑屋頂的一個揚聲器錐的中心。

而另一個 含鐵樣本則放置在地下室,該放置源和吸收器之間的距離位22.5米。

為了保證伽馬射線能夠最大程度地聚集,實驗者們使用了一個裝滿氦氣的 聚酯薄膜袋來防止散射。

另外下方還有一個 閃爍計數器鐵樣品用于監測未接受樣品中的伽馬射線。

原子在傳遞過程中發生了變化

通過震動揚聲器錐體,伽馬射線源以 不同的速度進行移動,由此便產生了不同的 多普勒頻移

當多普勒頻移抵消了引力藍移時, 接收樣品吸收伽馬射線

此時 閃爍計數器監測到的伽馬射線數量相應會下降

整個實驗帶來了 兩個結果,考慮到其中存在系統誤差。

龐德經過計算之后得到了具體的實驗結果。

塔頂源和塔底源的頻移的頻移幅度相同,但符號相反,減去結果時,兩人發現結果是單項實驗的兩倍。

龐德-布雷卡實驗論證

實驗最終在廣義相對論 10%的水平中證明了 引力時間膨脹預言,后來兩人將實驗改進后優化到 1%的水平。

由此愛因斯坦的相對論得到完整的實驗支持,由此給人類開啟了新的大門。

而在 更加精準的實驗中, 原子鐘的出現進一步在微觀層面解釋了廣義相對論帶來的時間差異。

它通過 監測原子輻射頻率來測量時間

基于兩種可能能量狀態之一的原子系統,準備好一組處于一種狀態的原子,然后進行微波輻射。

精度更高的原子鐘實驗

如果輻射的頻率正確,那麼許多原子便將轉變為另一種能態。

通過對原子固有振蕩頻率運動來調整微波輻射對原子的影響,最終 完成原子頻率的測量

由此便可以得到一個 細致的時間數值

在這種 微觀場景下,設備中的引力場差異無法被忽視。

畢竟有廣義相對論的存在,原子鐘仍然存在誤差,當然這是在微觀層面,其所產生的誤差人類是無法察覺到的。

微觀層面的時間難以察覺

如今科學家在 原子鐘實驗里進一步優化了原子鐘設計,這使得科學家突破了過去在微觀程度中對時間的認知。

即使是在 1毫米的差距內, 時間膨脹仍然會造成影響。

新的時間計量

相關實驗來自 科羅拉多州博爾德的物理學家進行的 光晶格原子鐘實驗

科學家利用了大約 100000個超冷鍶原子,并將它們 排列成晶格組成原子鐘的一部分

這意味著原子處于一系列不同的高度上,就像站在梯子上的橫格一樣。

極紫外頻率梳,用于探測紫外波長

通過在這些高度上 繪制頻率變化,由此揭示了新的發現。

科學家在校正了可能改變頻率的非引力效應后,時鐘頻率在 1毫米的范圍內,大約改變了百分之一萬億分之一。

而這種變化正是廣義相對論中所預期到的量。

實驗進行到 90個小時后,科學家通過比對時鐘上下部分的滴答聲,最終測得到一個精準的頻率。

其精確度為0.76億分之一萬億分之一。

這是有史以來最精確的原子鐘頻率記錄, 換句話說,大約要過3000億年,這個原子鐘才會出現1秒的誤差。

激光將鍶原子保持在晶格中

當然對于人類而言,這種誤差顯然是無法感知的。

不過對衛星導航等航天領域來講,時間膨脹帶來的影響就必須考慮進去。

現在我們知道由 引力勢差造成了影響,所以衛星的時間會比地球上的快,由此它們 需要原子鐘來不斷地校準高度,以此達到最佳狀態

精準度更高的原子鐘顯然可以帶來更好的科學研究體驗,幫助科學家了解時空領域在微觀層面究竟發生了什麼。

對于未來而言,由引力膨脹帶來的影響則體現在星際旅行中。

顯然, 我們無法忽視時間膨脹給人類帶來的影響。

我們肯定不想在未來經歷了一段飛行之后,回家卻發現地球已經過去了好幾百年

時間與空間是一種復合體

不過要想避開引力膨脹帶來的影響也不是不行,從理論上來講,如果人類能夠制造 蟲洞,那麼時間膨脹帶來的問題便可以被克服。

簡單來講蟲洞將兩個宇宙不同地區的空間進行時空連續體撕裂, 由此可以在不受時間膨脹的影響下進行星際穿梭。

當然這需要非常大的能量才能夠維持,這也是電影 《星際穿越》中人類好奇土星附近的蟲洞到底是誰開的。

但這一問題或許在未來某天顯得不再那麼重要。

對于今天的人類來講,愛因斯坦又一次在他的科學預言中預判了宇宙的行為。

他在現代物理中所做出的貢獻不可估量,由此為人類開啟了一個新世代。

相對論完善了人類對于引力的認知,并且在天體物理學中成為眾多研究的基礎。

人類的思想不止于此,正如相對論給我們帶來的感知一般。

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