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什么是时空?爱因斯坦的时间与引力理论解析

什么是时空?取决于你的移动速度或离地球引力有多近,时间的感觉可能会发生变化。

作者:Joshua Rapp Learn
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什么是时空?图片来源:Albert89/Shutterstock

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关于时空是什么的关键要点

  • 爱因斯坦的广义相对论将时间与宽度、高度和长度相似地看待。因此,时间和空间都可以被引力弯曲。这有效地意味着,你离引力强的物体越近,时间就越慢。

  • 时空压缩与时空是不同的。时空压缩侧重于由于我们拥有更多对其的访问权限,世界现在似乎变得更小了,而不是空间中的时间。

  • 时空与地球时间取决于你在太空中的位置。如果你靠近事件视界,时间将与在地球上大不相同。


有时,好时光的日子可能感觉像几个小时,而枯燥的日子可能几乎没有一刻过去,但自人类开始使用日晷以来,地球绕太阳的运行并没有以易于测量的方式改变。

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但是,在伦敦建造大本钟(格林威治标准时间中心)大约半个世纪后,阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论改变了科学家们对时间的看法。突然之间,正如他的理论所建议的,人们体验时间的方式可能因他们所处的位置而异。在太空中穿梭的宇航员比那些试图留在地球表面永葆青春的人衰老得更慢。

“爱因斯坦的广义相对论要求我们可以将空间和时间视为同一件事,”威斯康星大学密尔沃基分校伦纳德·E·帕克引力、宇宙学和天体物理学中心的や天体物理学家 Lia Medeiros 说。“我的整个职业生涯的开始是因为我认为时间变慢是最疯狂的事情,我想理解它。”

什么是时空?

广义相对论。(图片来源:Anshuman Rath/Shutterstock)

Anshuman Rath/Shutterstock

人类主要在三维世界中看待生命,虽然我们体验时间——第四维度——的流逝,但我们倾向于以不同于处理空间的另外三个维度的方式来看待它。

但是爱因斯坦的广义相对论将时间与宽度、高度和长度相似地看待。因此,时间和空间都可以被引力弯曲。

“我们所体验到的引力实际上是时空的曲率,”Medeiros 说。

这有效地意味着,你离引力强的物体越近,时间就越慢。Medeiros 用一个例子来说明这一点——如果一对双胞胎中的一个住在高层摩天大楼的顶层套房,另一个住在同一栋建筑的地下室,那么在其他条件相同的情况下,地下室居住者的衰老速度会比高层居住者稍慢一些。

时空压缩:被误解

就时空压缩而言,它并不完全与空间弯曲时间的方式或爱因斯坦的相对论有关。时空压缩的概念更多地与由于航空旅行、互联网和其他使世界看起来更小的进步,在现代,世界似乎变得更小的方式有关。


阅读更多:时空的“布朗运动”可能预示着暗物质的终结


宇航员如何体验不同的时间

根据爱因斯坦的理论,在太空中没有“一天”的概念。

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“我们在太空中无法定义一个静止的观察者,”Medeiros 说。

你相对于地球上其他人的时间体验完全取决于你在太空中的位置。首先,太空中的宇航员不会觉得事情过得更快——他们仍然会以与在地球上相同的方式体验一个小时。只是当他们返回地球时,对你来说可能比留在地面上的人流逝的时间要少。

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但为了论证起见,让我们以国际空间站(ISS)上的一名宇航员为例。空间站距离地球更远,这意味着它受到的引力较小。相对于地球上的人来说,宇航员理论上会比地面上的人衰老得更快一些,因为他们甚至比摩天大楼的顶层套房还要高。

但这种情况并没有发生。事实上,在地球轨道上花费时间的长宇航员的衰老速度通常比留在地面的要慢。这主要是因为速度会减慢时间。

因此,当宇航员在地球周围高速运行时,他们的时间流逝速度实际上比地面上的人慢。不过,差别不大。一些计算表明,在国际空间站上停留六个月的宇航员的衰老速度可能比地球表面的人少了几分之一秒

时空与地球时间

同样,太空中的时间流逝方式与地球上的人相比,取决于你在太空中的位置。最极端的例子是,如果你在靠近事件视界的太空区域,也就是你无法逃脱黑洞引力的地方。

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对于外部观察者来说,越过这个阈值的人在时间上会显得非常缓慢,以至于他们似乎永远都在那里。然而,不幸的穿越事件视界的探险者可能会经历相当 abrupt 的结局。

“我所经历的生命其实相当短暂,但如果你看着我掉进黑洞,你会觉得很无聊,”Medeiros 说。

同样,你与别人的时间体验也会不同,这取决于你的速度。在极端情况下,一个能够以光速移动的人与一个或多或少静止的人相比,实际上不会衰老。这就是为什么光子不会衰老的原因,Medeiros 说——它们以光速移动。


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文章来源

我们的Discovermagazine.com作家在文章中采用同行评审研究和高质量来源,我们的编辑会审阅科学准确性和编辑标准。请查看本文使用的以下来源

  • Joshua Rapp Learn

    Joshua Rapp Learn 是一位屡获殊荣的华盛顿特区科学记者,经常为《发现杂志》撰稿,内容涵盖考古学、野生动物、古生物学、太空等主题。

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