引力为什么可以让时间变慢?今天终于弄明白了!

宇宙时空 2024-11-12 14:10:47

我们或许应透过广义相对论的镜头来解析——其核心观念在于,引力的实质乃是时空弯曲。

时空的这种弯曲是怎样的呢?

首先,我们需要指出,许多网上科普文章所使用的图像来描述引力造成的弯曲,实际上是误导性的。

真正的引力弯曲应该是这样的:

从上图我们可以明显看出,引力所造成的时空弯曲,本质上是时空密度的改变——在地球周遭,时空显得更为密集。若将天体置于运动之中,情况则如下图所示。

因此,引力其实是时空密度变化的结果——不仅是空间更为致密,时间同样变得更密集。我们可以用时空的网格来描绘这种密度变化。这些网格会随着引力而持续改变形态(不会断裂),并且围绕天体的重心发生扭曲。

那么,时间为何流逝得愈发缓慢?

在此,我提出两种解释途径(请注意,这仅是基于逻辑的推测,未经科学实验证实):

从时空网格密度的视角来阐释

假设我们仅考虑一个只有地球的时空模型,以便简化讨论:

如前所述,在靠近地球之处,时空网格更为致密。我们可以假定一个物体(比如一个人)的尺寸不会因时空网格的密集而变化,相应地,物体所穿过的时空网格数量就增多了(因为网格更密集)。所以,在质量巨大的地球附近,穿过物体的时空网格数量较多——这意指通过的时间也相对较多。反之,远离地球的物体,由于其所在位置时空网格较为稀疏,通过的空间和时间的总量就较少。

因此,相较于靠近地球的物体,远离地球的物体以自身的尺寸来衡量时间和空间的流逝,实际上会显得较少。换言之,靠近地球的物体以自己所认定的速度匀速移动1秒钟(或1米),对远离地球的物体而言,实际需要超过1秒(或移动超过1米)才能完成。换个角度讲,地球附近的1米在远处实际上要长得多。因为整个时空的网格(也被称为“度规”)在质量附近变得更加密集了。

上图:对于位于引力场不同区域的人而言,尽管她感觉自身尺寸未变,但在不同密度的时空中运动时,感受到的时间流逝量是不同的,在密度较大的时空中进行同样的运动,所花费的时间相对较少。注意那个女孩脚下的波纹,光在不同密度的时空中传播速度不变,但波长会变化。时空愈稀疏,光波被拉得愈长。因此,光的红移或蓝移可以作为度量时空被拉长或压缩的指标。

这种“密集化”效应也是引力透镜(光线路径被向质心挤压)以及光的引力红移(光线逆着时空梯度传播)的原因——实际上,光是度量时空网格的理想工具,其运动轨迹正是沿着时空网格的线条。若遭遇黑洞,光亦会朝其内部移动,这意味着时空网格同样会延伸至黑洞内部(并且是无限延伸)。

从等效性的角度来阐述

爱因斯坦的“强等效原理”表明:重力与加速度在效果上难以区分,或者说,没有证据显示它们在效果上有所不同(这实际上是惯性质量与引力质量等效的推论)。因此,我们可将引力视作一种加速运动,这意味着时空正向物体的重心加速塌陷。这样一来,时间变慢的问题便容易解释了。

上图:引力质量与惯性质量“奇妙地”相等。实际上,这可被解读为时空正以重力加速度向内塌陷(黑洞不正是这种塌陷的极端例子吗?)。

我们再次以“孤独地球”的场景为例,以帮助理解:

根据强等效性原理,上述情况意味着靠近地球的物体加速度大于远离地球的物体,这两个物体间必然存在一个等效速度差,即它们间的时空距离在不断增加,于是一个等效的相对速度便产生了。利用狭义相对论的结论,若两个物体存在相对速度,它们之间便会存在时间流逝速度的差异,且该时间膨胀量与洛伦兹变换得出的差值相符。显然,靠近地球的物体所具有的等效相对速度大于远离地球的物体,因此,根据狭义相对论的等效性原理,远离地球的物体将观察到靠近地球的物体时间流逝得更为缓慢。

通过将广义相对论的结论转译到狭义相对论的框架中,利用默认的引力与加速度等效性,我们同样可以解释引力导致时间变慢的机制。

总结就是,我们先澄清了一个常见的对时空扭曲的误解,随后基于正确的理解,从两个角度阐述了引力如何导致时间流逝变慢的原理。

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