一個至今仍無法解釋的現(xiàn)象，讓愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了時間的秘密

人們曾經(jīng)認(rèn)為，時間的流逝速度是恒定的，無論何時何地，或者是處于哪種狀態(tài)，時間都會以相同的速度流逝，然而愛因斯坦卻提出了不同的觀點。

他在相對論中指出，時間的流逝速度并非恒定不變，而是與你的速度和你所處的引力場強(qiáng)度密切相關(guān)，你的速度越快，或者你身處的引力場越強(qiáng)，時間就過得越慢。

在這個理論剛被提出的時候，科學(xué)界普遍對此持懷疑態(tài)度，但在過去的一百多年里，大量的實驗結(jié)果，卻表明了愛因斯坦是正確的。

時至今日，這個理論已經(jīng)進(jìn)入了實際應(yīng)用階段，一個經(jīng)典的應(yīng)用就是我們經(jīng)常會使用到的全球定位系統(tǒng)。

要知道全球定位系統(tǒng)依賴于在太空中運行的衛(wèi)星，根據(jù)相對論，由于衛(wèi)星在軌道上的運動，會造成其時間的流逝速度變慢，而由于衛(wèi)星處于高空，受到的地球引力比地面小，其時間則會流逝得更快。

因為綜合計算下來，引力效應(yīng)占了主導(dǎo)，所以太空中衛(wèi)星的時間流逝速度其實比地面更快一點，雖然這個差異極其微小，但對于需要精確定位的系統(tǒng)來講卻不可忽略。

所以科學(xué)家們必須根據(jù)相對論對衛(wèi)星上的時鐘進(jìn)行持續(xù)的時間校正，如果忽略這個校正，其定位結(jié)果每12小時就會累積約7米的偏差，也就無法做到精確定位了。

那么問題就來了，愛因斯坦是怎么知道這一切的呢？答案就是：一個至今仍無法解釋的現(xiàn)象，讓愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了時間的秘密。

這種現(xiàn)象可以描述為：無論在何種慣性參照系中觀察，光在真空中的傳播速度都是一個常數(shù)，也就是每秒299792458米。

什么意思呢？我們可以將其簡單地理解為，對于真空中的一束光來講，無論你是處于靜止?fàn)顟B(tài)，還是正在向著這束光運動，又或者是正在背著這束光運動，你測量到這束光的速度都是恒定的每秒299792458米。

可以看到，這種現(xiàn)象是極為反直覺的，然而這卻是理論和實驗得出的同一個結(jié)果，為什么會這樣呢？很遺憾，對于這種現(xiàn)象，科學(xué)家至今仍無法解釋清楚。

不過愛因斯坦并沒有糾結(jié)于“為什么”，而是直接將其作為一條基本公設(shè)，即相對論中的“光速不變原理”。

根據(jù)這個原理，既然光速是絕對的，那么必定有其他東西是可變的，是什么呢？愛因斯坦給出的答案是：時間。

為方便理解，我們可以來做一個思想實驗。假設(shè)有一種“光子鐘”，它由兩面互相的平行鏡子組成，一個光子在兩面鏡子之間垂直上下反射，由于其每次反射的時間都是固定的，因此可以用來作為計時單位（如下圖所示）。

現(xiàn)在我們?nèi)∫粋€這樣的“光子鐘”，把它放在一艘飛船里，然后讓這艘飛船飛起來，并相對于地面高速平移。

在這個場景中，如果在飛船里觀測，那“光子鐘”里的光子就只有垂直于鏡面的運動軌跡（如下圖所示）。

而如果在地面上觀測，由于飛船在高速平移，因此這個“光子鐘”里的光子除了上下垂直運動以外，還會多出一個平移的運動，所以其運動軌跡就不再垂直于鏡面，而是變成了斜線（如下圖所示）。

根據(jù)勾股定理可知，這種斜線的長度肯定會大于兩面鏡子的垂直距離，而這也就意味著，在同一個計時單位里，地面上的觀測者觀測到的光子，其運動距離會比飛船上的觀測者所觀測到的更長。

而根據(jù)“光速不變原理”，雖然光子的運動距離變長了，但在地面上的觀測者看來，其速度仍然是不變的，并不會疊加飛船本身的速度。

據(jù)此我們不難推導(dǎo)出，這樣的情況就會導(dǎo)致在同一個計時單位里，飛船里和地面上的觀測者所經(jīng)歷的時間流逝速度不一樣，具體來講就是，在地面上的觀測者看來，飛船里的時間流逝速度變慢了，并且飛船的速度越快，其時間流逝的速度就越慢。

那引力又是怎樣影響時間的呢？為方便理解，我們可以再做一個思想實驗，假設(shè)有一個人坐在一艘全封閉的飛船里，無法看到飛船外面的情況。

如果這艘飛船靜止在地球表面，那么飛船里的人就會感受到一種向下的力，這種力其實就是我們習(xí)以為常的地球引力。

但如果這艘飛船是在太空中，并沒有受到任何引力，而是正在以大約9.8米/平方秒的加速度（即地球的重力加速度）“向上”加速飛行，那么飛船里的人也會感受到一種“向下”的力，這種力就是“慣性力”（注：“慣性力”是一種虛擬力，其本質(zhì)其實是物體慣性的一種表現(xiàn)）。

愛因斯坦指出，在上述兩種場景中，如果這個人事先不知道外界情況，那他就無法區(qū)分自己感受到的是地球引力，還是飛船加速運動產(chǎn)生的“慣性力”，這就說明了，一個位于引力場中的參照系與一個具有加速度的參照系是等價的。

這就是相對論中的“等效原理”，根據(jù)這個原理我們就可以推導(dǎo)出，既然速度會影響時間流逝的速度，那引力同樣也可以，并且引力越強(qiáng)的地方，時間流逝得就越慢。

好的，今天我們就先講到這里，歡迎大家關(guān)注魅力科學(xué)君，我們下次再見。