相差1毫米,時間也會發生膨脹?難道愛因斯坦又對了?

提起 現代物理學的奠基人,那一定繞不開 愛因斯坦。可以說,他雖然已經仙逝多年,但留下的理論和預言,一直是科學界鉆研的目標。比如,相對論里面的 時間膨脹

此前, 美國科羅拉多大學天體物理聯合室的科學家們做了 驗證時間膨脹的相關實驗,研究表明,僅僅相差1毫米,時間也會發生膨脹。這樣的話,就說明愛因斯坦又對了?

引力場當中的時間膨脹

愛因斯坦這一生當中有無數非凡的成就, 廣義相對論的發表就是其中一件。雖然廣義相對論是在「宇宙尺度」上實現的,但它的 影響和應用卻無處無處不在,比如咱們生活中常常使用的 GPS系統。

廣義相對論指出,當 時間位于引力場當中時,會出現減慢的情況,這是因為 原子振動的頻率會降低

相比之下,距離引力場越近的時鐘走得越慢,這種現象就被稱之為「時間膨脹」。可能許多人單看「時間膨脹」這四個字,會直接從表面去理解,而不知道成因。

這種只知其一不知其二的現狀,會讓大家對時間膨脹 產生誤解。所以,大家需要注意 時間膨脹從本質上來說是時空間隔不變導致的結果,是一種客觀的效應。

當愛因斯坦提出這種理論之后,有人質疑,有人支持。而為了驗證它,科學家做了許多的實驗。比如 1977年時,人們就讓衛星帶著高精度原子鐘升空,觀察到該時鐘和地面時鐘的「時間差異」,證實了時間膨脹。

而此次,美國科羅拉多大學的研究小組,又 在更小的尺度上證明了時間膨脹效應。那麼,他們到底做了什麼實驗?又得到了怎樣的 成果

相差1毫米,依舊有時間差

為了將實驗的尺度進一步降低,科學家使用了「光學晶格時鐘」進行研究。這 光學晶格時鐘制造也有講究,需要先用極光將鍶原子進行冷卻,再將其裝入光學晶格當中,變為原子團。總之,這玩意兒看起來 和傳統的時鐘可以說是毫不相關

實際上,這個 時鐘更像是實驗的載體。因為科學家正是想從這片鍶原子團當中,來觀察時間膨脹的現象。最終實驗結果表明, 即使相差1毫米的距離,時間也會出現延緩。雖然這種變慢的程度都比不上咱們「眨眼」的功夫,但是對于GPS以及時間校準等領域來說,是巨大的進步。

研究團隊領導者葉軍教授表示,「如果我們能測量比這更精確10倍的引力紅移,我們就能看到穿越時空曲率的原子整個物質波。在如此微小的尺度上測量時差,可以使我們發現引力會破壞量子相干性。」

由此可見, 真正的科學是經得起時間和各種實驗驗證的。不論是從前的原子鐘實驗,還是如今毫米尺度的驗證,都 證實了廣義相對論當中「時間膨脹」效應的真實性。不論尺度再怎麼精確,愛因斯坦都證明了他是對的。

那麼,時間膨脹效應能夠為人類帶來怎樣的 啟發呢?

時間膨脹效應帶來的啟發

時間膨脹效應雖然只是一種現象,但是發現它的載體,也就是 原子鐘,對于人類 研究量子力學觀察宇宙有著重要的作用。咱們在前面說了原子鐘本身與傳統的時鐘就沒有什麼聯系了,而科學家就可以利用這種情況來尋找宇宙當中的暗物質。

要知道,暗物質算是籠罩在科學家心頭已久的陰云了。現在的各項證據基本已經指明宇宙中確實存在著大量的暗物質,可是我們卻無法發現它。因此, 假如可以使用原子鐘來幫助我們「發現」暗物質,證明其確實存在,那麼人類探索宇宙的道路將少了許多的障礙

此外, 時間膨脹效應為人類的科幻小說和科幻電影貢獻了不少的素材。畢竟時間膨脹和相對速度也有著一定的關系,這就意味著乘坐光速飛船飛行的人,他們的時間過得要比地球上的人慢。不過需要注意的是,此處只考慮引力效應,而忽視了其他的因素。

在相對論的時空觀里,時間流逝的快慢由所在參考系的速度以及引力大小所決定,一旦2個參考系的相對速度以及引力大小已知,2個參考系中的時間差異便可由相對論計算得出。

比如 《星際穿越》當中,依舊年輕的父親經過幾番波折再次見到自己的女兒時,女兒已經垂垂老矣,可他的容顏卻沒有明顯的變化。因此,按理來說, 如果人類未來能制造出光速飛船甚至是超光速飛船,那樣的話飛出太陽系和穿越銀河系,都是在有限壽命當中可以輕松做到的事情

只不過,在理解了 時間膨脹效應之后。前去星際遠游的人應該提前與家中的親人好好告別,畢竟在飛船上感覺沒過多久,再回地球時可能就已經是 「滄海桑田」了。

當然,以上的這些都是人們腦洞大開的幻想。因為 在愛因斯坦的理論當中,根本沒有東西可以達到「光速」,超越光速就更是癡心妄想了。

值得一提的是,科學家做出的相關實驗似乎都是在利用精度更高的原子鐘。那麼,在 其他時鐘上,如 單擺鐘或者生物鐘當中能否證明這一效應呢?這些時鐘的 時間會不會出現延緩

廣義相對論在其他時鐘上的實驗

在探討這一問題的時候, 有學者假設將兩個單擺鐘分別放到月球和地球上,然后套入公式進行對比。但對比的結果顯示,在地球上的單擺鐘測量的時間反而更快,這并不符合廣義相對論當中「引力越大時間越慢」的情況。要知道,地球的引力可比月球大多了。

那麼, 這說明廣義相對論有錯誤?并不是這樣,造成這種情況的 原因是單擺鐘的周期數值被人們賦予了一個「數字」,而這個數字從本質上來說并不能證明什麼,只有其擺動的數差或者說是數字之比才能表現出快慢的區別。

研究證明當比較2個處在不同引力場中時鐘的相對快慢時,可以在理論上直接計算出2個時鐘各自的周期數值,2個周期之比的倒數等于2個時鐘所數物理現象的出現的次數之比,周期大意味著所數次數少,相應的物理過程就慢。

此外,將這種效應放在生物鐘上,就會出現咱們在上文中提到的那個問題,即星際旅行當中的人,因為 時鐘走得更慢了,會不會比地球上的人老的更慢

但事實上,按照科學家的角度來看, 人體的衰老是一個極為復雜的過程,其不能只有「時間延緩」就下定論。所以目前無法確定,引力增強之后,人體內的細胞將會發生什麼樣的變化。到底是「加速衰老」還是「減緩衰老」,都很難說。

因此,人們很少將 廣義相對論當中的時間膨脹直接套入人體衰老的研究中。畢竟,只關注「理論層面」的情況,對于多變的人體來說并不適用。

所以 從科學的觀點來說,想依靠長途星際旅行,幫助自己實現「長生不老」,是無法做到的。甚至,都可能在各種宇宙因素的影響下,出現「早衰」的癥狀。

畢竟不管是宇宙當中的 微重力環境還是恐怖的輻射,對于人體來說都非常的不友好。

總之,看到這,大家對于廣義相對論在其他時鐘當中不同的表現應該已經有所理解了。這樣來看, 原子鐘當中顯示的時差,對于我們普通人來說, 影響微乎其微,因為在我們所處的「時間參考系」當中,這種時差基本無法被察覺。


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