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時間的本質是什麽?衛星上的時間會變快,為何不是鐘表變快了?

2024-06-26科學

愛因史坦的相對論告訴我們,時間和空間都是相對的,非常有彈性,速度和重力都會影響時間的流逝。

具體來講,根據狹義相對論,速度越快時間就越慢。而根據廣義相對論,重力越強就越慢。

天上的衛星速度很快,衛星上的時間就會比地面時間更慢。同時,衛星受到的地球重力更小,那麽衛星上的時間就比地球時間更快。

綜合速度和重力的共同影響,結果是衛星上的時間要比地面時間更快,每天大約要快38微秒,一微秒等於百萬分之一一秒,非常短的時間。

不過由於我們對導航系統的精確度要求非常高,38微秒的差異雖然看起來不值一提,但長時間累積下來誤差就會很大的,如果不及時校正讓衛星時間和地面時間保持一致,導航系統很快就會徹底失效。

那麽,時間為什麽會受到速度和重力的影響呢?從相對論本身來講,因為「光速不變原理」,在不同的參照系下光速是絕對不變的,所以時間和空間必須做出相應改變,才能保證光速的絕對性。

但我們還可以從更深層次去分析,換一種思維方式來理解時間和空間的本質。

時間和空間是一體的,不可分割的,簡稱「時空」。時間和空間離不開物質以及物質的運動,也就是說,沒有物質的時空是不存在的。而時空又是物質存在的基礎。

同時,運動變化是世界的基本特征,而時間又是描述物質運動變化的物理量。

從這點上來講,時間更像是意識的範疇,不過這裏的意識並不是哲學上的概念,從廣義上來講,時間這個「意識範疇」仍舊是客觀存在的,也屬於廣義上的物質。由於時間和空間是有機的整體,所以空間也屬於物質範疇。

以前我們認為空間就是空間,時間就是時間,兩者不應該有什麽關系。不過閔考斯基認為時間和空間是一體的,時間其實就是一維的空間。

同時,愛因史坦認為空間中充滿了各種場,空間也是實實在在的物質,空間並不能脫離物質單獨存在。上面說了,時間其實就是一維空間,只不過是抽象的一維空間。

那麽如何證明時間真的存在呢?

很簡單,只需要在地面和天上的衛星上分別放置非常精確的原子鐘,如果兩個原子鐘顯示的時間一樣的話,就表明時間不存在,否則時間就是存在的。

但是這種方式並不能讓所有人信服,因為可能是原子鐘本身出現了問題,或者說速度重力本身讓鐘表變慢而不是時空本身變慢了。

不過科學家有的是辦法來避免上述問題的出現。比如說在同一參照系裏放置不同型別的鐘表,比如說電子表,原子鐘等,這樣就能排除故障引發的時間變慢或變快。

如果同一參照系裏的所有鐘表時間顯示都一樣,而不同參照系下的鐘表讀數不一樣,那麽就能證明速度的確讓時間變慢了,而不是鐘表自身的問題。

著名的「雙生子佯謬」很難在現實中進行驗證,因為我們很難做到讓一個人乘坐亞光速飛船離開地球,從而驗證時間膨脹效應,也就是鐘慢效應。況且飛船的速度必須盡可能接近光速,時間膨脹才會比較明顯。目前的人類科技很難達到亞光速。

但是科學家可以仿照「雙生子佯謬」來做實驗,用型別不同的非常精確的鐘表,比如說雷射冷原子鐘,安裝在衛星上做多次實驗,結果表明衛星上的鐘表時間與地球時間確實存在差異,與計算結果非常吻合。

如果時間膨脹在宏觀世界還不是很明顯的話,那麽到了微觀世界,時間膨脹效應幾乎到處存在。

比如說在大型粒子對撞機中讓不同的微觀粒子以亞光速對撞,科學家在分析碰撞產生的各種亞原子粒子時,就必須考慮到鐘慢效應和尺縮效應,只有這樣才能更精確地獲得微觀粒子的能量,品質,速度等各項參數。這些都表明了時間確實是存在的,表明愛因史坦的相對論是正確的。

不過在愛因史坦剛剛提出相對論的時候,很多物理學界大佬根本不相信,這也很正常,畢竟牛頓力學體系下的絕對時空觀已經統治了物理學界幾百年時間了,愛因史坦的狹義相對論徹底顛覆了牛頓的絕對時空觀,確實很難讓人接受。

這也是為什麽物理學家勞侖茲一直都不相信狹義相對論中的時間膨脹和尺縮效應。雖然勞侖茲變換公式是狹義相對論中的主要數學工具,勞侖茲本人與狹義相對論曾經近在咫尺,但他始終認為尺縮效應並不是時空的相對性,而是實實在在的物理變化,這表明勞侖茲始終不願意拋棄絕對時空觀,也讓他與狹義相對論失之交臂!

實際上,不僅僅是勞侖茲,還有龐加萊等人,距離捅破狹義相對論只差一層窗戶紙,但他們始終堅守牛頓的絕對時空觀,不然提出狹義相對論的就不是愛因史坦了,而是勞侖茲或者龐加萊等人了!