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愛因斯坦是怎麼知道引力能讓時間變慢的?
2022/01/07

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愛因斯坦曾經預測過「引力時間膨脹」現象,他認為一個物體受到的引力越大,其經歷的時間就越慢。後續的研究表明,他的預測是正確的,早在1960年,「龐德-雷布卡實驗」就首次證實了「引力時間膨脹」的存在,而時至今日,我們使用的全球定位系統也必須根據「引力時間膨脹」來進行時間校正。

那麼問題來了,愛因斯坦是怎麼知道引力能讓時間變慢的呢?

光速不變原理

不得不說,「引力時間膨脹」有點令人感到困惑,因為在我們的印象中,引力應該只作用于具有質量的物質,而時間並不是物質,根本就沒有質量可言,那為何引力卻能讓時間變慢呢?要回答這個問題,我們需要從「光速不變原理」講起。

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簡單來講,「光速不變原理」是指無論你在哪種參照系中觀察,光在真空中的傳播速度都是一個恒定不變的常數(c),並不會因為光源和觀察者所在參照系的相對運動而改變。

意思就是說,無論你處于相對真空中的一束光是什麼運動狀態,你觀察到的這束光的速度始終都是c,比如說假如你以10%的光速迎著真空中的一束光運動,那麼你觀察到這束光的速度仍然是c,而不是1.1c,而假如你以同樣的速度與真空中的一束光做反向運動,那麼你觀察到這束光的速度也是c,而不是0.9c。

「光速不變原理」是科學家通過理論和實驗得到的,這也是狹義相對論的公設之一,根據這個原理,我們就可以通過一個思想實驗來推測出,速度能讓時間變慢。

光子鐘實驗

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上圖為一種「光子鐘」的簡化模式,在光子鐘之內是真空狀態,光子可以在兩面互相平行的鏡子之間以真空中的光速(c)不斷地垂直反射,所以光子每完成一次反射的時間都是「h/c」(注:h為兩面鏡子間的垂直距離)。

現在我們取兩個這樣的光子鐘,一個放在地面上,稱為「光子鐘A」,另一個則放在一艘相對于地面高速運動的太空船上,稱為「光子鐘B」。在這種情況下,如果將地面作為靜止參照系,那麼放在「光子鐘B」內的光子就會在垂直運動之外,還會隨著太空船的運動方向多了一個額外的運動(如下圖所示)。

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