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  • 时间膨胀

    时间膨胀(time dilation)。狭义相对论预言,运动时钟的“指针”行走的速率比时钟静止时的速率慢,这就是时钟变慢或时间膨胀,又称钟慢效应,是相对论性效应之一。时间膨胀表明了时间的相对性。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 时间膨胀 英文名: time dilation
    别称: 钟慢效应 适用学科: 狭义相对论

    目录

    理论/时间膨胀 编辑

    概述
    I·牛顿曾经提出“绝对时间”的概念,但是牛顿时空理论中的时间没有办法在现实世界中实现。爱因斯坦从考察两个在空间上分隔开的事件的“同时性”入手,否定了没有经验根据的“同时性”的绝对性及其有关的绝对时间概念。为使用光信号对钟,爱因斯坦假定了单向光速是个常数且与光源的运动无关,并根据其相对性原理,从新的时空理论出发,建立了狭义相对论。
    狭义相对论预言了时间膨胀相对论性效应,已经获得大量实验的直接证明。
    现今世界上最具权威的美国《科学》杂志,其中一篇文章指出,宇宙膨胀不是光的多普勒效应,是时空本身的膨胀,而实际天文观测证实的,包括哈勃红移在内,都是时间膨胀的结果,其它都是围绕时间的膨胀展开的理论分析和推测。
    牛顿的绝对时空,从其信号传播具有无限大速度的假设,可知其在每一刻,都对应整个宇宙的某一状态。
    空间的三维始终对应时间的一维,即空间三维和时间一维一一对应。这种时空的同时性并不是没有物理实质,如产生了量子纠缠的量子所具有的同时性。
    爱因斯坦的时空称相对时空,它以观察者为核心,强调可观察,以光速为极限,将过去和现在联系在一起,称为四维时空。
    时间的膨胀是观察者观察的结果,是四维时空的产物,时间的测量依赖于观察者所处的参考系。[1]

    效应/时间膨胀 编辑

    公式

    狭义相对论的时间膨胀公式为:为观察者的时间变化,v为光源相对于观察者的远离速度,c为真空光速。的是观察者观察到的光源在内的时间变化量。

    时钟佯谬

    时间膨胀时间膨胀
    时间膨胀效应表明,运动时,钟的速率将变慢。由于惯性系之间没有哪一个更特殊,对于K和K'这两个彼此作相对运动的惯性系来说,哪一个在运动,这完全是相对的。因而,似乎出现了这样一个问题:K系中的观察者认为K'系中的时钟变慢了,而K'系中的观察者又会认为K系中的时钟变慢了,即两个观察者得到的是互相矛盾的结论。这就是所谓的“时钟佯谬”问题。在解释这种佯谬时候,为了突出问题的实质,可以这样来比较两只钟,一只钟固定在一个惯性系中,另一只钟则相对于这个惯性系作往返航行。通过研究在往返航行的钟回来的时候,它的指针所显示的经历时间(也就是这个钟所经历的固有时间间隔)和固定钟的指针所显示的经历时间( 也就是固定钟所经历的固有时间间隔)相比,到底哪一个更长。可以发现,不能简单地套用前面写出的那个洛伦兹变换,因为往返航行的钟并不是始终静止于同一个惯性系之中,而是先静止在一个惯性系(向远处飞去) ,后来又经历加速(或减速)转而静止在另一个惯性系(远处归来),而另外那一只钟则始终静止在一个惯性系中。由此可见,往返航行的钟和静止的钟的地位并不是等价的。其深层原因是两只时钟在闵可夫斯基时空图中的世界线是不相同的,这就反驳了“时钟佯谬”。具体地说,哪一只钟走得更慢一些,有人认为,要解决这个问题,必须应用广义相对论,因为有加速或减速过程。但是,实际上这个问题可以在狭义相对论范围内圆满解决。如果加速过程对时钟速率不产生影响(实验证明加速或减速过程对时钟的速率没有影响),考虑到作往返运动的时钟经历了不同的惯性系,因而还必须考虑到不同地点的同时性问题,那么,不论在哪个惯性系中计算,狭义相对论都给出同样的结果,即往返航行的时钟变慢了。 

    多普勒效应

    时钟变慢直接导致相对论性的多普勒效应(多普勒频移)。当光源同观察者之间有相对运动时,观察者测到的光波频率将同光源静止时的光频有差别,这种差别称为多普勒频移。经典理论也预言了多普勒频移,但狭义相对论的预言同经典理论的预言不同。两种预言之间的差别是由运动时钟的速率不同于静止时钟的速率造成的,也就是时钟变慢效应造成的。
    光线的频率和传播的方向在洛伦兹变换下分别按如下公式变换:
    ν'=(1-v·cosθ/c)(1-v2/c2)1/2cosθ'=(cosθ-v/c)(1-v·cosθ/c)
    式中ν和ν'分别为在K系和K'系中测得的光波频率,θ和θ'为光线的传播方向分别与x轴和x'轴的正方向之间的夹角。当θ=90°(即垂直于光线方向)时,
    ν'=v/(1-v2/c2)1/2
    这就是横向多普勒效应(牛顿经典物理学没有这种效应)。横向(或二阶)多普勒效应实际上来自时间膨胀效应,它们已被很多实验直接证实。

    实验/时间膨胀 编辑

    根据爱因斯坦1905年提出的狭义相对论,处于快速运动状态的表,与构造完全相同、指针在动但表壳本身却处于静止状态的表相比,快动表的指针转动得慢,也就是时间流逝得慢,专业说法是“时间膨胀”效应。对外行人来说,这恐怕是爱因斯坦就时间和空间概念的理论革命所结出的最奇异的一朵花。一分钟的长度和表的运动速度有关,这和我们的直觉相违,也不符合我们的日常经验。尽管如此,时间膨胀效应确实存在。1971年飞机携带原子表的实验就提供了证据。德国物理学家希望了解得更深。现在,他们测到了精度在小数点后10位的时间膨胀效应。德国马普协会下属的核物理研究所坐落在美丽的城市海德堡附近,其核心设备是一台粒子加速器,它占据的空间足有一个飞机库那么大。在那无数变压器和真空泵的轰轰噪音下,萨特霍夫要想表达清楚并
    非易事。他对德国之声记者说:“我们的实验是从这儿开始的。这里你看到的是法拉第笼,里面是一个离子源。”这位物理学博士指着一个香肠形状的桔黄色容器,大小像一辆载重卡车。容器里,带电的锂原子,也就是所谓的离子,在高压作用下加速到每秒1.9万公里的速度,相当于光速的6%,足够在两秒钟内环绕地球一周。萨特霍夫和他的同事需要这些粒子旅行,为的是测验爱因斯坦的理论是否正确。根据爱因斯坦1905年提出的狭义相对论,快速飞行的离子的内部时钟应当比萨特霍夫手腕上戴的表要走得慢。 萨特霍夫介绍说:“按照爱因斯坦的理论,应当慢差不多1.002倍,也就是说慢千分之二。人们这个实验的创新之处就在于,利用激光谱仪把1.002这个系数精确地测到其小数点后的第10位。”锂离子的旅行将在旁边的大厅告终。那里,强烈的磁场迫使它们沿着一个圆形轨道飞行。萨特霍夫说:“我们在这里看到的是储存环。离子是从这个出口离开加速器,进入储存环的。你在这里到处都可以看到四极的或两极的强磁铁。”所谓的储存环是一个55米长、盘成圆环状的铝管,里面是真空,离子就在管子里急速飞行。无数的线圈、电缆等其它电气元件几乎完全遮挡了这个储存环。离子在里面每秒钟可以转330圈。萨特霍夫介绍说:“这些粒子本身就是钟表,因为粒子会振动。几乎每一个表都是以振动系统为基础的。比如说带钟摆的表,就是钟摆在振动。石英表是石英晶体在振动。原子也会振动,准确地说是原子里的电子会振动。电子振动的频率远比石英高得多,所以利用电子或者说原子测量时间的精度,就远比用石英晶体高得多。”为了读原子表的秒针,物理学家们利用的是激光束。他们用激光对快速飞过的锂粒子外层的电子云激发一定频率的振动。此时离子会发出荧光,这束荧光就包含着离子内部钟表的行走时间。萨特霍夫介绍说:“我们现在是在地下室。这儿是供电器。这里的是我们的激光房。这个激光房其实就是我们在地下室里简单搭出来的一个小空间,因为直接在储存环旁边放激光设备不合适。储存环周围的环境条件对激光来说很恶劣,磁场杂散,还有乱糟糟的电磁波,也就是电子烟雾,都会影响激光发生器的稳定性。所以我们在地下室造了一个激光房,在这儿生成激光,然后通过光纤传送到储存环那里。”在黑色的塑料帘子后面阴暗的灯光下,有一张乒乓球台大小的桌子,上面摆着三台激光发生器,还有一大堆的透镜和反射镜。
    科研人员花费了三年的心血,设计、建造和调试这套极其精确、用于测验爱因斯坦相对论的光学系统。萨特霍夫说:“我们在这里可是干了不少时间,有时甚至是通宵达旦。但在实验项目的开始阶段,方案还不明确的时候,我们可没有得到很大乐趣。但当我们琢磨出应当怎样下手时,情况就大有好转。”如今,萨特霍夫及其同事已经以小数点后10位的精度,实验证实了爱因斯坦的时间膨胀理论,远比以往任何有关实验精确得多。但是对科学家们来说,这个精度还是不够好,因此,他们已经计划在德国达姆施塔特的重离子研究协会再进行一系列的实验。那里的加速器功率大,可以把锂离子的速度加速到光速的33%。根据爱因斯坦的理论推算,那时,离子内部时钟的1秒钟,将会比萨特霍夫手表上的1秒钟长出60毫秒。

    应用/时间膨胀 编辑

    时间膨胀是相对论效应的一个特别引人注意的例证,它是首先在宇宙射线中观测到的。我们注意到,在相对论中,空间和时间的尺度随着观察者速度的改变而改变。例如,假定我们测量正向着我们运动的一只时钟所表明的时间,我们就会发现它要比另一只同我们相对静止的正常走时的时钟走得慢些。另一方面,假定我们也以这只运动时钟的速度和它一同运动,它的走时又回到十分正常。我们不会见到普通时钟以光速向我们飞来,但是放射性衰变就像时钟,这是因为放射性物质包含着一个完全确定的时间标尺,也就是它的半衰期。当我们对向我们飞来的宇宙射线M作测量时,发现它的半衰期要比在实验室中测出的22微秒长很多。在这个意义上,从我们观察者的观点来看,M内部的时钟确实是走得慢些。时间进程拉长了,就是说时间膨胀了。
    在平常的生活中看不出空间和时间的畸变。因为我们不涉及已接近光速运动的事物。事实上,相对论现象的特性由物体速度与光速平方之比这样一个比率来决定。当所研究的物体的运动速度超过光速的十分之一时,这个比率才变得重要,因为此时该比率增大到百分之一以上。这样的高速领域几乎只局限在高能物理学家们的经验中。由于我们通常不会涉及这样高的速度,所以狭义相对论的许多结论都使我们感到惊奇。实际上,这些结论确实有些复杂,但早已证实了狭义相对论的完美,并且在处理低速运动时又几乎严格地与我们所熟悉的物理规律一致。
    时间膨胀对于未来的宇宙探索,旅行等都有巨大的作用。 

    相关文献

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    参考资料
    [1]^引用日期:2017-02-08

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