什么是时间膨胀？

时间膨胀是指时间是相对的，并且根据某些因素的不同观察者的速度是相对的。（图片来源：Shutterstock）

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度通过，具体取决于其在重力场中的相对运动或位置。

这是其工作原理。时间是相对的。听起来违反直觉，这是爱因斯坦的结果相对论。在日常生活中，我们习惯了相对的速度 - 例如，相对于固定观察者，以60 mph（97 km/h）行驶的汽车将被视为以相同速度相反的方向行驶的驾驶员以120 mph（193 km/h）的速度移动。

同样的现象也会影响时间。根据观察者的相对运动或在引力场中的位置，该观察者会以与另一个观察者不同的速度经历时间。这种效果被称为时间扩张，仅在某些条件下才能检测到，尽管在低水平上，我们一直在遵守它。让我们仔细研究时间扩张的理论及其某些后果，包括GPS错误和著名的双胞胎悖论。

时间扩张定义

时间扩张是放慢的时间与另一个观察者相比另一个观察者认为，取决于其在重力场中的相对运动或位置。这是爱因斯坦相对性的结果，在这段时间不像看起来那样绝对的。在不同的参考框架中，它通过的速率不同。

爱因斯坦已故的密歇根州立大学物理学教授说，爱因斯坦的起点是，无论观察者自己的动作如何，光总是具有相同的测量速度。乔恩·邦普林（Jon Pumplin）。这个看似无害的假设不可避免地导致了一个结论，即“移动时钟缓慢运行”。该短语通常被用作时间扩张的简洁描述，但是由于它在时钟上的重点，这在某种程度上是误导性的，只有我们使用它们来测量时间，这仅是相关的。但是，我们真的应该将时间扩张视为“关于空间和时间的意外真理，而不是时钟的属性”。

时间扩张和光速

相对论的理论有两个部分 - 特殊的相对论和一般相对论 - 两者中的时间扩张特征。原则光速所有观察者在特殊相对论中都起着关键作用。波士顿大学物理学家说，它的后果之一安德鲁·达菲，是两个观察者以恒定的速度相对于彼此的速度移动，同一事件之间的不同时间。但是，仅在接近光速的速度下，这种效果变得明显，通常由c。

想象一下，飞船以光速的95％行驶到一个9.5光年的行星。固定观察者地球距离除以速度或9.5/0.95 = 10年，将测量旅行时间。另一方面，太空飞船的船员经历了时间扩张，因此将旅行视为仅花费3.12年的时间。（这里的数学要复杂一些，但我们稍后再进行。）换句话说，在离开地球和到达目的地之间，船员的年龄在三年多以上，而10年的人已经过去了，人们回到了地球上。

尽管这种真正的惊人情况需要极高的速度，但对于任何类型的相对运动，时间膨胀都在更为适中的尺度上发生。例如，根据40年后的非旅行者，每周越过大西洋的常规飞行员将经历大约一千分之一的时间。如何构建时间机器（圣马丁·格里芬（St. Martin's Griffin），2013年）。这本书还解释了如何在现实世界中发生更令人印象深刻的时间扩张所需的速度，至少在短暂的情况下基本颗粒称为Muons。这些是当宇宙射线击中地球的上层大气中时会创建这些，并且它们几乎可以以光速行驶。若恩斯是如此不稳定，以至于它们不应该持续足够长的时间来到达地球表面，但其中许多人都这样做。那是因为时间膨胀可以延长其寿命五倍。

时间扩张和重力

在他假设特殊相对论的十年后，爱因斯坦扩大了他的理论，包括重力影响一般相对论。但是该理论的时间扩张不取决于行进速度，而取决于局部重力场的强度。我们已经生活在地球表面的中等重力场中，因此事实证明，我们会在没有意识到的情况下进行时间扩张。此外，随着我们在地球领域上下移动时，效果的强度会有所不同。

重力高建筑物的顶层比地面一级稍弱，因此时间扩张效果也更高。时间越来越远，您离地球表面。即使效果太小，无法检测到人类感官，可以使用非常准确的时钟来衡量不同高度之间的时差网站。

要看到一个更戏剧化的引力时间扩张的例子，我们需要找到比地球更强的重力的地方，例如黑洞周围的邻居。NASA已经考虑了如果将时钟放在距离6英里（10公里）的轨道上会发生什么黑洞与太阳有相同的质量。事实证明，当通过安全距离通过望远镜观察时，时钟将需要大约一个小时10分钟才能显示1小时的差异。

时间扩张方程

爱因斯坦的原始时间扩张方程是基于特殊相对论。尽管方程式看一看，但如果我们有一个科学的计算器并逐步通过公式进行工作，那并不困难。首先，速度v移动对象并将其分开c，光速和正方形。这应该给您一个在0到1之间的数字。从1中减去它，然后取平方根；然后反转结果。您应该留下大于1的数字，这是固定观察者与移动观察者的时间间隔的比率。

如果听起来太多了，您可以使用在线计算器由佐治亚州立大学提供。只需输入速度，v，一小部分c，相应的时间比将自动出现。这同一网站还具有与重力时间扩张有关的类似公式。

空间的时间扩张

时间膨胀与航天器的高速相关，这是由于它们的高速和他们所经历的重力磁场的变化。 2020年，一群学生莱斯特大学在英国，计算了时间扩张对NASA1977年推出后的43年，``Voyager 1探索''。特殊的相对论预测，旅行者的年龄比我们在地球上的2.2秒少2.2秒。但是总体相对论部分平衡了这一点。我们的重力比航天器更强，因此，从这个意义上讲，探针的年龄比我们的年龄大约要大约1秒。将两种效果结合起来，旅行者仍然比地球小子年轻，但仅约1.2秒。

这样的计算似乎很轻松，但是在确切时机至关重要的情况下它们可能非常重要。如果是GPS卫星例如，用于导航，只有几纳秒（十亿分之一）的定时错误可能会导致数百米的定位错误，如果您试图查明特定地址，这显然是不可接受的。为了达到所需的准确性，GPS系统必须考虑时间膨胀，这可能每天38微秒（百万分之一）。理查德·波格（Richard W. Pogge），俄亥俄州立大学的杰出天文学教授。如在Voyager的示例中，特殊相对论和一般相对论都对这一数字有所贡献，其中45微秒来自引力时间扩张，而与速度相关效应负7微秒。

双胞胎悖论

时间膨胀最有力的后果之一是所谓的双胞胎悖论。在这个思想实验中，一个相同的双胞胎生活在地球上，而他们的双胞胎则以往返的速度往远处的恒星接近光速。当他们再次见面时，旅行双胞胎（由于特殊相对论的时间的扩张）的年龄远低于呆在家里的人。明显的“悖论”源于错误的信念，即这种情况是对称的 - 换句话说，您也可以说，旅行双胞胎相对于地球双胞胎是静止的，这意味着地球年龄的年龄要比星空巡视的双胞胎少。。

但事实并非如此，因为情况不是对称的。当特殊相对论谈论相对运动，指的是运动直线持续速度。这里不是这样。由于双胞胎在旅途的开始和结束时在一起，因此旅行者必须从停滞速度加速到最高速度，然后在某个时候转过身向相反的方向前进，然后最终减速到再次停止。这些加速度和减速的阶段具有一般相对论，因为它们与重力场具有相似的作用。悖论：物理学中九个最大的谜（Crown，2012年）。当数学计算出这种加速度时，事实证明，在类似的事物中时间旅行，太空双胞胎的年龄确实比地球范围更慢。