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引力场中的时间扭曲

相对于其他事件来说,人们发现有些事件开始展开的时间会比以前更快,这使得整个事情突然变得非常古怪。阿尔伯特·爱因斯坦分别于1905年和1915年,将其新奇怪异但还勉强符合逻辑的思想纳入他的狭义相对论和广义相对论中,事情变得更加令人困惑。在他的理论中,爱因斯坦阐述并解释了在过去的几十年中,乔治·菲茨杰拉德(George FitzGerald)和亨德里克·洛伦兹(Hendrik Lorentz)所指出的那些悖论和稀奇古怪之事。

简而言之,一个完全意想不到的事情出现了:即使时间是一个实际存在的实体,也不可能像光速或重力那样是一个常量。时间会以不同的速度流逝。引力场的存在会延缓时间的流逝,就像物体在做高速运动时发生的情形那样。

我们不可能直接感觉到这种时间的延缓,因为上高中时我们就知道,每个人都身处同一个引力场之中。即使我们在最狂野的少年时期开车出去兜风时,大家也从未将车加速到超过光速的八百万分之一。当物体以光速的87%运动时,时间流逝的速率才减少一半。目前,地面上车辆的行驶速度引起的时间延缓还远不能被直接体验到,因而时间的延缓更多地要靠人类的智慧去发现。

宇航员在这方面的体验要深刻得多。实际上,当他们以光速的1/26 000绕轨道运行时,他们能使用精密的钟表测量出时间的延缓值,但这也带来了一个很少被讨论的难题。虽然宇航员的运动速度更快,但与地球表面相比,飞船轨道上的引力较弱,从而产生了负效应,这加速了时间的流逝速度。事实证明,宇航员的高速运动也给他们带来了好处,那就是他们比地球上的人衰老得要慢。

宇航员所在的位置必须比国际空间站的轨道高8倍,或者说,只有在位于地球表面上空约3 218千米处时,才能使引力的减弱恰好平衡减慢的轨道速度,也才能使他们与地球上的人们衰老的速度保持一致。在更远一些的地方,比如月球上的钟表走得比休斯敦地面指挥中心的要快。不过,“阿波罗”号飞船上的宇航员可并未从社会保障福利中拿到任何关于提早变老的补偿。

我们之所以对这些时间扭曲(Time Warping)现象做出如此细致的区分,并不是想把时间问题复杂化,也不只是出于学术研究的目的,而是因为,它们对现实有着重要的意义。如果不对各种各样的时间扭曲效应进行持续修正的话,GPS卫星根本无法工作(图3-1)。接收来自每个卫星的精确的时间信号是GPS系统的核心工作,任何设备或接收器出现时间流逝速度上的偏差,都会导致GPS系统无法正常运转。

你是一个真正关心此类技术细节或物理问题的“极客”吗?如果是,不妨先来考虑以下时间扭曲方面的诸多问题,这些问题都是人们在探究时间测量技术时发现的。

问题一:卫星以14 000千米/时的速度运行,其钟表变慢了。

图3-1 围绕地球运行的GPS卫星

问题二:卫星远离地球时,处于减弱的引力场中,与地面相比,其钟表变快了。

问题三:由于地面上的GPS用户通常与地心的距离不同(比如,高海拔的丹佛与低海拔的迈阿密),因此,这会导致时间流逝的速度不同。

问题四:由于地球表面不同纬度地区的自转速度不同,因此,这使地面上不同位置处的时间流逝速度无法保持一致。这被称作萨格纳克效应(Sagnac Effect)。

问题五:对所有地球上的观察者来说,时间跑得要慢(与任何未来的月球殖民者相比),因为我们这个星球是以1 674千米/时的速度在自转(离赤道越远,则速度越低)。

问题六:因为卫星的轨道略呈椭圆形,卫星上的时间变化会忽快忽慢。再加上地球的赤道膨胀等原因导致的地球引力场的不规则,会使卫星上的时间变化的误差进一步放大。因而,卫星上的时间流逝速度是不断变化的,有时加快,有时减慢。

总之,以上六种基于爱因斯坦理论的时间扭曲问题都会影响GPS接收器上的钟表运行速度,而以上一半的问题会影响卫星上的钟表运行速度。所有这些钟表必须得到准确而又持续的修正。任何时间上的不一致都会极大地破坏系统的准确度。

我们要永远记住:我们不是在谈论一个叫作时间的真实实体的扭曲。我们注意到的只是,相对于其他事件来说,一些事件的进程会比之前更慢或更快。时间问题依然是中心问题。像“老鹰轻挥羽翼,蜂鸟快扇翅膀”这样的例子,在生活中不胜枚举。当然,我们可以把时间概念纳入讨论之中,但我们不需要这样做。因为时间是一回事,而我们如何归类或测量时间则是另外一回事。

对于有些人来说,“时间扭曲”只是一种思维游戏,或是一种单纯的理论,但事实上,爱因斯坦的时间膨胀论甚至会与致命事件有关。当宇宙射线(高能量粒子撞击我们的大气层)与大气层上部的分子发生碰撞时,会使分子中的原子分裂,就像母球撞散一堆台球一样,由此会产生亚原子粒子雨。如果其中一些粒子误伤人身体上哪怕一丁点儿的遗传物质,对人类而言都是致命的。这些μ介子不断地穿过我们的身体,导致产生一些原发性并一直困扰着我们人类的癌症。每秒就有超过200个这样的粒子穿过我们的身体。对于生活在海拔更高地区的人而言(如危险的丹佛),穿过他们身体的粒子会更多。问题在于,质量介于质子和电子之间的μ介子,在衰变为无害的副产品之前可存活2微秒。即使这些粒子的速度很接近光速,它们要到达地球表面并进入我们的细胞之中,区区几微秒的时间可能还不够长。

因为,μ介子在约56千米之外的上空诞生后,很快就衰变了。它们本来不可能也不应该到达我们这里,所以也就不会给我们带来任何麻烦,但事实是,事情就这样发生了。我们所计算的几微秒对于μ介子来说是一段较长的时间,而且已经足够长。因为它们的速度非常之快,因此,它们的时间变慢了。按照我们的观察,μ介子的寿命已被延长,而我们的时间也许已被缩短。然而,从μ介子的角度来看,时间是正常的。 8DHeJ93GgVS8c5JK7EAFcEMoirZBdPW/gDc+XWkEOUv/D/TpORWO5KyPF5zF3H78

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