什么是时间膨胀？光速与时间膨胀效应

什么是时间膨胀?

时间膨胀是指一个看似奇怪的事实，即不同观察者的时间以不同的速率流逝，这取决于他们在引力场中的相对运动或位置。

这是它的工作原理。时间是相对的。尽管这听起来违反直觉，但它是爱因斯坦相对论的结果。在日常生活中，我们习惯于速度是相对的——因此，例如，相对于静止观察者以 60 英里/小时(97 公里/小时)的速度行驶的汽车将被视为以 120 英里/小时(193 公里/小时)的速度移动以相同速度向相反方向行驶的司机。

同样的现象也会影响时间。根据观察者的相对运动或他们在引力场中的位置，该观察者将体验到与另一个观察者不同的时间流逝率。这种被称为时间膨胀的效应只有在特定条件下才能被检测到，尽管在低水平上，我们一直受到它的影响。让我们仔细看看时间膨胀理论及其一些后果，包括 GPS 误差和著名的孪生悖论。

时间膨胀是一个观察者与另一个观察者相比所感知的时间变慢，这取决于他们在引力场中的相对运动或位置。这是爱因斯坦相对论的结果，其中时间并不像看起来那样绝对;对于不同参照系的观察者，它通过的速度是不同的。

时间膨胀与光速和引力的关系是什么?

时间膨胀与光速

相对论有两个部分——狭义相对论和广义相对论，并且两者都具有时间膨胀特征。所有观察者的光速都相同的原理在狭义相对论中起着关键作用。根据波士顿大学物理学家安德鲁·达菲( Andrew Duffy) 的说法，其后果之一是，相对于彼此以恒定速度移动的两个观察者测量了相同事件之间的不同时间。但是这种效果只有在速度接近光速时才会变得明显，通常用c 来表示。

想象一艘宇宙飞船以 95% 的光速前往 9.5 光年外的行星。地球上的静止观察者将测量旅程时间为距离除以速度，或 9.5/0.95 = 10 年。另一方面，宇宙飞船的船员会经历时间膨胀，因此认为这次旅行只需要 3.12 年。换句话说，在离开地球和到达目的地之间，机组人员的年龄只有三年多一点，而人们回到地球已经过去了 10 年地球。

尽管像这样的真正惊人的情况需要非常高的速度，但对于任何类型的相对运动，时间膨胀都会发生在更适度的范围内。例如，根据“如何建造时间机器”(St. Martin's Griffin，2013 年)，每周穿越大西洋的普通飞行者在 40 年后比非旅行者经历的时间减少约千分之一秒。这本书还解释了在现实世界中如何发生更令人印象深刻的时间膨胀壮举所需的那种速度，至少在短寿命的基本粒子的情况下称为介子。它们是宇宙射线撞击地球高层大气时产生的，它们可以以接近光速的速度传播。μ子非常不稳定，它们不应该持续足够长的时间到达地球表面，但它们中的许多都做到了。那是因为时间膨胀可以将它们的寿命延长五倍。

时间膨胀和引力

在他提出狭义相对论十年后，爱因斯坦扩展了他的理论，将引力效应包括在广义相对论中。但是这个理论中的时间膨胀不取决于旅行的速度，而是取决于当地引力场的强度。我们已经生活在地球表面的中等引力场中，所以事实证明，我们会在不知不觉中受到时间膨胀的影响。此外，当我们在地球磁场中上下移动时，效果的强度会发生变化。

高层建筑顶层的重力比地面稍弱，因此时间膨胀效应在更高处也更弱。距离地球表面越远，时间过得越快。正如西德克萨斯农工大学物理学教授克里斯托弗·贝尔德 (Christopher Baird) 在他的网站上所描述的那样，尽管这种影响太小而无法用人类感官检测到，但可以使用极其精确的时钟来测量不同高度之间的时差。

为了看到一个更戏剧性的引力时间膨胀的例子，我们需要找到一个引力比地球强得多的地方，比如黑洞周围的街区。美国宇航局已经考虑过如果将时钟放入距离与太阳质量相同的黑洞6 英里(10 公里)的轨道上会发生什么。事实证明，当从安全距离通过望远镜观察时，时钟需要大约 1 小时 10 分钟才能显示 1 小时的差异。