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爱因斯坦|时间膨胀：为什么重力会减慢时间流？

【爱因斯坦|时间膨胀：为什么重力会减慢时间流？】1905年春天 ， 在回家的路上 ， 沉默寡言的爱因斯坦在离奇格罗格塔几英里远的地方登上电车 。 奇格罗格塔是俯瞰伯尔尼的豪华钟塔 。 爱因斯坦只是一个专利办事员 ， 他一有空就开始思考宇宙的真理 。 对于这样一个天才 ， 虽然我们嘲笑自己的幻想为白日梦 ， 但是我们会敬佩地称他的为思想实验 。 他在那辆有轨电车上想到的一个思想实验彻底改变了现代物理学 。
爱因斯坦曾想过 ， 如果电车以光速行驶 ， 会发生什么 。 看到宏伟的钟楼 ， 他意识到如果他以每秒186,000英里的速度行驶 ， 那么已经庄重地移动过的钟表指针现在似乎会完全冻结 。 同时 ， 爱因斯坦知道 ， 回到钟楼时 ， 指针将正常旋转—时间将正常运行 。 但是 ， 对于爱因斯坦来说 ， 时间变慢了 。 他得出结论 ， 穿越空间的速度越快 ， 穿越时间的速度就越慢 。 这怎么可能？
爱因斯坦的困境
爱因斯坦深受两位伟大物理学家著作的影响 。 首先 ， 是他的偶像牛顿发现的运动定律 ， 第二 ， 是麦克斯韦制定的电磁定律 。 但是 ， 这两种理论是矛盾的 。 麦克斯韦（Maxwell）推测 ， 诸如光之类的电磁波的速度是固定的 ， 每秒高达186,000英里 。 他声称这是关于宇宙的基本事实 。
爱因斯坦|时间膨胀：为什么重力会减慢时间流？
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没有什么比光速快 。 （照片来源：Pexels）
牛顿定律暗示速度总是相对的 。 相对于静止的观察者而言 ， 以40 mph行驶的汽车的速度为40 mph ， 而相对于以20 mph行驶的相邻汽车的速度仅为20 mph 。 或者 ， 以60英里/小时的速度向同一辆汽车驶向相反的方向 。 当将相对速度的概念应用于光速时 ， 它与麦克斯韦的表面基本事实不符 。 这给爱因斯坦带来了严重的困境 。
这种矛盾使爱因斯坦提出了令人难以置信的想法 ， 但这也是物理学史上最具突破性的主张之一 。 要了解矛盾并因此弄清时间为什么变慢 ， 我们来看看另一个独创性的思维实验 ， 它是爱因斯坦最好的实验之一 。 他想像一个人站在车站月台上 ， 两边的两个闪电击中了他 。 站在这两个点中间的那个人同时观察到两侧的光束 。
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但是 ， 当火车上的一个同伴以光速驶过该场景时 ， 看到该场景时 ， 事情就变得异常了 。 根然而 ， 当一个人在火车上以光速通过时 ， 看到这一场景 ， 事情就变得特别了 。
根据运动定律 ， 离火车较近的闪电发出的光会比离火车较远的闪电发出的光更早到达那个人 。 这两个人对光速的测量在大小上是不同的 。 但这怎么可能呢?根据麦克斯韦的理论 ， 光速必须是恒定的 ， 与观察者的运动无关——这就是所谓的宇宙“基本”事实 。
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为了弥补这一差异 ， 爱因斯坦提出时间本身会减慢 ， 这样光速就会保持不变!与站台上那个人的时间相比 ， 火车上那个人的时间过得慢一些 。 他称这个为时间膨胀 。
引力时间膨胀
爱因斯坦称他的理论为狭义相对论 。 它很特殊 ， 因为它处理的是恒速 。 在现实世界中 ， 物体总是在加速和减速 ， 为了使它与现实世界一致 ， 他需要研究他的理论在涉及加速时的影响 。 对所有普遍现象进行概括和解释的努力使他发现了时间和引力之间的关系;他称这个新发现的引力理论为“广义相对论” 。
牛顿相信时间的流动就像一支箭：它只朝着一个方向坚定地前进 。 在有轨电车上的爱因斯坦假设时间与速度成反比 。 由于它的可塑性 ， 它应该像空间一样 ， 有自己的尺度 。 事实上 ， 爱因斯坦声称这两者是同一件东西 ， 是一种可伸缩的四维结构 ， 宇宙事件就是在这种结构上展开的 。 他称之为时空的结构 。 当爱因斯坦发表他的研究成果时 ， 人们对他的反应和人们对这一非凡成果发表时的反应是一样的——怀疑 。
根据广义相对论 ， 物质会拉伸和收缩时空的结构 ， 从而使物体不会被神秘地拉向地球中心 ， 而是被其上方弯曲的空间向下推 。 为了模拟一个斜坡 ， 时空的曲率加速了向下移动的物体 ， 尽管加速度的速率在所有点上并不相同 。 引力朝向地球表面的力量更大 ， 在地球表面 ， 曲率比其边缘更强烈 。
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即使在技术上不准确 ， 但蹦床类比是解释时空扭曲的最简单方法 。
如果重力随着我们向下移动而增加 ， 则自由下落的物体在表面上某个点（例如B）的下落要比在更高的高度（例如A）上的下落更快 。 对于自由下落的物体 ， 根据狭义相对论 ， B处的时间必须比A处的时间慢一些 ， 因为物体的速度在B处更快 。


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