什麼是時間膨脹？

時間膨脹是指時間是相對的，並且根據某些因素的不同觀察者的速度是相對的。（圖片來源：Shutterstock）

時間膨脹是指一個看似奇怪的事實，即不同觀察者的時間以不同的速度通過，具體取決於其在重力場中的相對運動或位置。

這是其工作原理。時間是相對的。聽起來違反直覺，這是愛因斯坦的結果相對論。在日常生活中，我們習慣了相對的速度 - 例如，相對於固定觀察者，以60 mph（97 km/h）行駛的汽車將被視為以相同速度相反的方向行駛的駕駛員以120 mph（193 km/h）的速度移動。

同樣的現像也會影響時間。根據觀察者的相對運動或在引力場中的位置，該觀察者會以與另一個觀察者不同的速度經歷時間。這種效果被稱為時間擴張，僅在某些條件下才能檢測到，儘管在低水平上，我們一直在遵守它。讓我們仔細研究時間擴張的理論及其某些後果，包括GPS錯誤和著名的雙胞胎悖論。

時間擴張定義

時間擴張是放慢的時間與另一個觀察者相比另一個觀察者認為，取決於其在重力場中的相對運動或位置。這是愛因斯坦相對性的結果，在這段時間不像看起來那樣絕對的。在不同的參考框架中，它通過的速率不同。

愛因斯坦已故的密歇根州立大學物理學教授說，愛因斯坦的起點是，無論觀察者自己的動作如何，光總是具有相同的測量速度。喬恩·邦普林（Jon Pumplin）。這個看似無害的假設不可避免地導致了一個結論，即“移動時鐘緩慢運行”。該短語通常被用作時間擴張的簡潔描述，但是由於它在時鐘上的重點，這在某種程度上是誤導性的，只有我們使用它們來測量時間，這僅是相關的。但是，我們真的應該將時間擴張視為“關於空間和時間的意外真理，而不是時鐘的屬性”。

時間擴張和光速

相對論的理論有兩個部分 - 特殊的相對論和一般相對論 - 兩者中的時間擴張特徵。原則光速所有觀察者在特殊相對論中都起著關鍵作用。波士頓大學物理學家說，它的後果之一安德魯·達菲，是兩個觀察者以恆定的速度相對於彼此的速度移動，同一事件之間的不同時間。但是，僅在接近光速的速度下，這種效果變得明顯，通常由c。

想像一下，飛船以光速的95％行駛到一個9.5光年的行星。固定觀察者地球距離除以速度或9.5/0.95 = 10年，將測量旅行時間。另一方面，太空飛船的船員經歷了時間擴張，因此將旅行視為僅花費3.12年的時間。（這裡的數學要復雜一些，但我們稍後再進行。）換句話說，在離開地球和到達目的地之間，船員的年齡在三年多以上，而10年的人已經過去了，人們回到了地球上。

儘管這種真正的驚人情況需要極高的速度，但對於任何類型的相對運動，時間膨脹都在更為適中的尺度上發生。例如，根據40年後的非旅行者，每周越過大西洋的常規飛行員將經歷大約一千分之一的時間。如何構建時間機器（聖馬丁·格里芬（St. Martin's Griffin），2013年）。這本書還解釋瞭如何在現實世界中發生更令人印象深刻的時間擴張所需的速度，至少在短暫的情況下基本顆粒稱為Muons。這些是當宇宙射線擊中地球的上層大氣中時會創建這些，並且它們幾乎可以以光速行駛。若恩斯是如此不穩定，以至於它們不應該持續足夠長的時間來到達地球表面，但其中許多人都這樣做。那是因為時間膨脹可以延長其壽命五倍。

時間擴張和重力

在他假設特殊相對論的十年後，愛因斯坦擴大了他的理論，包括重力影響一般相對論。但是該理論的時間擴張不取決於行進速度，而取決於局部重力場的強度。我們已經生活在地球表面的中等重力場中，因此事實證明，我們會在沒有意識到的情況下進行時間擴張。此外，隨著我們在地球領域上下移動時，效果的強度會有所不同。

重力高建築物的頂層比地面一級稍弱，因此時間擴張效果也更高。時間越來越遠，您離地球表面。即使效果太小，無法檢測到人類感官，可以使用非常準確的時鐘來衡量不同高度之間的時差網站。

要看到一個更戲劇化的引力時間擴張的例子，我們需要找到比地球更強的重力的地方，例如黑洞周圍的鄰居。NASA已經考慮瞭如果將時鐘放在距離6英里（10公里）的軌道上會發生什麼黑洞與太陽有相同的質量。事實證明，當通過安全距離通過望遠鏡觀察時，時鐘將需要大約一個小時10分鐘才能顯示1小時的差異。

時間擴張方程

愛因斯坦的原始時間擴張方程是基於特殊相對論。儘管方程式看一看，但如果我們有一個科學的計算器並逐步通過公式進行工作，那並不困難。首先，速度v移動對象並將其分開c，光速和正方形。這應該給您一個在0到1之間的數字。從1中減去它，然後取平方根；然後反轉結果。您應該留下大於1的數字，這是固定觀察者與移動觀察者的時間間隔的比率。

如果聽起來太多了，您可以使用在線計算器由佐治亞州立大學提供。只需輸入速度，v，一小部分c，相應的時間比將自動出現。這同一網站還具有與重力時間擴張有關的類似公式。

空間的時間擴張

時間膨脹與航天器的高速相關，這是由於它們的高速和他們所經歷的重力磁場的變化。 2020年，一群學生萊斯特大學在英國，計算了時間擴張對NASA1977年推出後的43年，``Voyager 1探索''。特殊的相對論預測，旅行者的年齡比我們在地球上的2.2秒少2.2秒。但是總體相對論部分平衡了這一點。我們的重力比航天器更強，因此，從這個意義上講，探針的年齡比我們的年齡大約要大約1秒。將兩種效果結合起來，旅行者仍然比地球小子年輕，但僅約1.2秒。

這樣的計算似乎很輕鬆，但是在確切時機至關重要的情況下它們可能非常重要。如果是GPS衛星例如，用於導航，只有幾納秒（十億分之一）的定時錯誤可能會導致數百米的定位錯誤，如果您試圖查明特定地址，這顯然是不可接受的。為了達到所需的準確性，GPS系統必須考慮時間膨脹，這可能每天38微秒（百萬分之一）。理查德·波格（Richard W. Pogge），俄亥俄州立大學的傑出天文學教授。如在Voyager的示例中，特殊相對論和一般相對論都對這一數字有所貢獻，其中45微秒來自引力時間擴張，而與速度相關效應負7微秒。

雙胞胎悖論

時間膨脹最有力的後果之一是所謂的雙胞胎悖論。在這個思想實驗中，一個相同的雙胞胎生活在地球上，而他們的雙胞胎則以往返的速度往遠處的恆星接近光速。當他們再次見面時，旅行雙胞胎（由於特殊相對論的時間的擴張）的年齡遠低於呆在家裡的人。明顯的“悖論”源於錯誤的信念，即這種情況是對稱的 - 換句話說，您也可以說，旅行雙胞胎相對於地球雙胞胎是靜止的，這意味著地球年齡的年齡要比星空巡視的雙胞胎少。。

但事實並非如此，因為情況不是對稱的。當特殊相對論談論相對運動，指的是運動直線持續速度。這裡不是這樣。由於雙胞胎在旅途的開始和結束時在一起，因此旅行者必須從停滯速度加速到最高速度，然後在某個時候轉過身向相反的方向前進，然後最終減速到再次停止。這些加速度和減速的階段具有一般相對論，因為它們與重力場具有相似的作用。悖論：物理學中九個最大的謎（Crown，2012年）。當數學計算出這種加速度時，事實證明，在類似的事物中時間旅行，太空雙胞胎的年齡確實比地球範圍更慢。