相差1毫米,时间也会发生膨胀?难道爱因斯坦又对了?

小小怪 2022-06-1703:24:19名人评论7阅读模式

提起现代物理学的奠基人,那一定绕不开爱因斯坦。可以说,他虽然已经仙逝多年,但留下的理论和预言,一直是科学界钻研的目标。比如,相对论里面的时间膨胀

爱因斯坦

此前,美国科罗拉多大学天体物理联合室的科学家们做了验证时间膨胀的相关实验研究表明,仅仅相差1毫米,时间也会发生膨胀。这样的话,就说明爱因斯坦又对了?

引力场当中的时间膨胀

爱因斯坦这一生当中有无数非凡的成就,广义相对论的发表就是其中一件。虽然广义相对论是在宇宙尺度上实现的,但它的影响和应用却无处无处不在,比如咱们生活中常常使用的GPS系统。

广义相对论概述

广义相对论指出,当时间位于引力场当中时,会出现减慢的情况,这是因为原子振动的频率会降低

相比之下,距离引力场越近的时钟走得越慢,这种现象就被称之为时间膨胀。可能许多人单看时间膨胀这四个字,会直接从表面去理解,而不知道成因。

这种只知其一不知其二的现状,会让大家对时间膨胀产生误解。所以,大家需要注意时间膨胀从本质上来说是时空间隔不变导致的结果,是一种客观的效应。

时间膨胀效应

当爱因斯坦提出这种理论之后,有人质疑,有人支持。而为了验证它,科学家做了许多的实验。比如1977年时,人们就让卫星带着高精度原子钟升空,观察到该时钟和地面时钟的时间差异,证实了时间膨胀。

使用卫星携带原子钟

而此次,美国科罗拉多大学的研究小组,又在更小的尺度上证明了时间膨胀效应。那么,他们到底做了什么实验?又得到了怎样的成果?

相差1毫米,依旧有时间差

为了将实验的尺度进一步降低,科学家使用了光学晶格时钟进行研究。这光学晶格时钟制造也有讲究,需要先用极光将锶原子进行冷却,再将其装入光学晶格当中,变为原子团。总之,这玩意儿看起来和传统的时钟可以说是毫不相关

晶格

实际上,这个时钟更像是实验的载体。因为科学家正是想从这片锶原子团当中,来观察时间膨胀的现象。最终实验结果表明,即使相差1毫米的距离,时间也会出现延缓。虽然这种变慢的程度都比不上咱们眨眼的功夫,但是对于GPS以及时间校准等领域来说,是巨大的进步

研究团队领导者叶军教授表示,如果我们能测量比这更精确10倍的引力红移,我们就能看到穿越时空曲率的原子整个物质波。在如此微小的尺度上测量时差,可以使我们发现引力会破坏量子相干性。

观测对比数据

由此可见,真正的科学是经得起时间和各种实验验证的。不论是从前的原子钟实验,还是如今毫米尺度的验证,都证实了广义相对论当中时间膨胀效应的真实性。不论尺度再怎么精确,爱因斯坦都证明了他是对的。

那么,时间膨胀效应能够为人类带来怎样的启发呢?

时间膨胀效应带来的启发

冷原子钟

时间膨胀效应虽然只是一种现象,但是发现它的载体,也就是原子钟,对于人类研究量子力学观察宇宙有着重要的作用。咱们在前面说了原子钟本身与传统的时钟就没有什么联系了,而科学家就可以利用这种情况来寻找宇宙当中的暗物质

要知道,暗物质算是笼罩在科学家心头已久的阴云了。现在的各项证据基本已经指明宇宙中确实存在着大量的暗物质,可是我们却无法发现它。因此,假如可以使用原子钟来帮助我们发现暗物质,证明其确实存在,那么人类探索宇宙的道路将少了许多的障碍

藏于宇宙的暗物质

此外,时间膨胀效应为人类的科幻小说和科幻电影贡献了不少的素材。毕竟时间膨胀和相对速度也有着一定的关系,这就意味着乘坐光速飞船飞行的人,他们的时间过得要比地球上的人慢。不过需要注意的是,此处只考虑引力效应,而忽视了其他的因素

在相对论的时空观里,时间流逝的快慢由所在参考系的速度以及引力大小所决定,一旦2个参考系的相对速度以及引力大小已知,2个参考系中的时间差异便可由相对论计算得出。

时间膨胀效应公式

比如《星际穿越》当中,依旧年轻的父亲经过几番波折再次见到自己的女儿时,女儿已经垂垂老矣,可他的容颜却没有明显的变化。因此,按理来说,如果人类未来能制造出光速飞船甚至是超光速飞船,那样的话飞出太阳系和穿越银河系,都是在有限寿命当中可以轻松做到的事情

只不过,在理解了时间膨胀效应之后。前去星际远游的人应该提前与家中的亲人好好告别,毕竟在飞船上感觉没过多久,再回地球时可能就已经是沧海桑田了。

星际穿越剧照

当然,以上的这些都是人们脑洞大开的幻想。因为在爱因斯坦的理论当中,根本没有东西可以达到光速,超越光速就更是痴心妄想了。

值得一提的是,科学家做出的相关实验似乎都是在利用精度更高的原子钟。那么,在其他时钟上,如单摆钟或者生物钟当中能否证明这一效应呢?这些时钟的时间会不会出现延缓?

单摆钟

广义相对论在其他时钟上的实验

在探讨这一问题的时候,有学者假设将两个单摆钟分别放到月球和地球上,然后套入公式进行对比。但对比的结果显示,在地球上的单摆钟测量的时间反而更快,这并不符合广义相对论当中引力越大时间越慢的情况。要知道,地球的引力可比月球多了。

月球与地球引力对比悬殊

那么,这说明广义相对论有错误?并不是这样,造成这种情况的原因是单摆钟的周期数值被人们赋予了一个数字,而这个数字从本质上来说并不能证明什么,只有其摆动的数差或者说是数字之比才能表现出快慢的区别。

研究证明当比较2个处在不同引力场中时钟的相对快慢时,可以在理论上直接计算出2个时钟各自的周期数值,2个周期之比的倒数等于2个时钟所数物理现象的出现的次数之比,周期大意味着所数次数少,相应的物理过程就慢。

时间膨胀依旧存在

此外,将这种效应放在生物钟上,就会出现咱们在上文中提到的那个问题,即星际旅行当中的人,因为时钟走得更慢了,会不会比地球上的人老的更慢

生物种

但事实上,按照科学家的角度来看,人体的衰老是一个极为复杂的过程,其不能只有时间延缓就下定论。所以目前无法确定,引力增强之后,人体内的细胞将会发生什么样的变化。到底是加速衰老还是减缓衰老,都很难说。

因此,人们很少将广义相对论当中的时间膨胀直接套入人体衰老的研究中。毕竟,只关注理论层面的情况,对于多变的人体来说并不适用。

所以从科学的观点来说,想依靠长途星际旅行,帮助自己实现长生不老,是无法做到的。甚至,都可能在各种宇宙因素的影响下,出现早衰的症状。

时间膨胀与人体衰老

毕竟不管是宇宙当中的微重力环境还是恐怖的辐射,对于人体来说都非常的不友好。

总之,看到这,大家对于广义相对论在其他时钟当中不同的表现应该已经有所理解了。这样来看,原子钟当中显示的时差,对于我们普通人来说,影响微乎其微,因为在我们所处的时间参考系当中,这种时差基本无法被察觉。

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