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

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

他在相對論中指出，時(shí)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(shí)間就過得越慢。

在這個(gè)理論剛被提出的時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，卻表明了愛因斯坦是正確的。

時(shí)至今日，這個(gè)理論已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用階段，一個(gè)經(jīng)典的應(yīng)用就是我們經(jīng)常會(huì)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(yùn)行的衛(wèi)星，根據(jù)相對論，由于衛(wèi)星在軌道上的運(yùn)動(dòng)，會(huì)造成其時(shí)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(shí)間則會(huì)流逝得更快。

因?yàn)榫C合計(jì)算下來，引力效應(yīng)占了主導(dǎo)，所以太空中衛(wèi)星的時(shí)間流逝速度其實(shí)比地面更快一點(diǎn)，雖然這個(gè)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(shí)鐘進(jìn)行持續(xù)的時(shí)間校正，如果忽略這個(gè)校正，其定位結(jié)果每12小時(shí)就會(huì)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(gè)至今仍無法解釋的現(xiàn)象，讓愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了時(shí)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(gè)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(yùn)動(dòng)，又或者是正在背著這束光運(yùn)動(dòng)，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(shí)驗(yàn)得出的同一個(gè)結(jié)果，為什么會(huì)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(gè)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(shí)間。

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

現(xiàn)在我們?nèi)∫粋€(gè)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(gè)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(yùn)動(dòng)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(gè)“光子鐘”里的光子除了上下垂直運(yùn)動(dòng)以外，還會(huì)多出一個(gè)平移的運(yùn)動(dòng)，所以其運(yùn)動(dòng)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(huì)大于兩面鏡子的垂直距離，而這也就意味著，在同一個(gè)計(jì)時(shí)單位里，地面上的觀測者觀測到的光子，其運(yùn)動(dòng)距離會(huì)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(yùn)動(dòng)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(huì)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(huì)導(dǎo)致在同一個(gè)計(jì)時(shí)單位里，飛船里和地面上的觀測者所經(jīng)歷的時(shí)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(shí)間流逝速度變慢了，并且飛船的速度越快，其時(shí)間流逝的速度就越慢。

那引力又是怎樣影響時(shí)間的呢？為方便理解，我們可以再做一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，假設(shè)有一個(gè)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(huì)感受到一種向下的力，這種力其實(shí)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(huì)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(shí)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(gè)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(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的“慣性力”，這就說明了，一個(gè)位于引力場中的參照系與一個(gè)具有加速度的參照系是等價(jià)的。

這就是相對論中的“等效原理”，根據(jù)這個(gè)原理我們就可以推導(dǎo)出，既然速度會(huì)影響時(shí)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(shí)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。