原子钟在飞船上运行的速度会比在地球上的慢吗?这是什么原因?

首先你务必要明白一点:一旦涉及到《相对论》,就必须摈弃“绝对时间”的传统观念,因为《相对论》最核心的基石就是时间不是绝对的,如果你不认可这一点,就已经从根本上否决了《相对论》。

既然时间不是绝对的,那么“绝对时间也跟着变慢”这种说法当然也就无从谈起了。况且这一说法本来就是矛盾的——假如“绝对”,又何来“变慢”?

至于“飞船上的铯原子钟走时比地球上的铯原子钟慢”,这倒是确有其事。而且不止飞船,有实验表明,即便是飞机上的铯原子钟走时也同样比地面上更慢,只是差异微乎其微而已——咱们后文再来详谈这一点。

总而言之就是,时间的流速绝不仅仅只是从观察的角度而言有所不同,而是相对于不同的惯性系而言确实有所不同。它的实际状况是,在速度越快或者引力越大的地方,时间就流逝得越慢,但是对于同一惯性系或引力场中的人和事物而言,时间的流速始终是正常的。

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也就是说,假如你坐在一艘接近光速的飞船上,你的时间过得确实比地球更慢——你感觉只过了1天,地球上或许已经过了几天、几周、几个月……甚至许多年,具体存在多大差异,取决于飞船有多接近光速。

反过来说,如果你呆在一个运动速度比地球慢的环境中,你的时间将过得比地球更快——你辛辛苦苦熬上1年,地球上说不定才只过了1天。

然而,无论你所在之处的时间流速比地球快还是比地球慢,你自己是感受不到任何异常的,对你而言时间的流速始终是正常的,这就是所谓的“时间膨胀效应”。

这一理论听上去的确有些匪夷所思,甚至难以置信,然而它的正确性已经受到了无数次的检验,其中最著名的一次莫过于1971年的“哈菲尔-基廷实验(Hafele–Keating experiment)”了——这项经典的实验被大量科普类文章重复、重复、再重复地提及,可惜绝大部分文章的描述都是错的。

鉴于提问者也是科学领域的创作者,我把准确的实验过程和结果讲一下,建议你可以把它收藏下来,将来写文章或许用得上。

哈菲尔-基廷实验

1971年10月,美国海军天文台(USNO)的物理学家乔·哈菲尔(Joseph·Hafele)和理查·基廷(Richard·Keating),携带着编号分别为120、361、408、447的四台铯原子钟,搭乘定期的商业航班,沿赤道地区进行了两次环球飞行:

一次向东,与地球的自转方向相同,总计耗时41.2小时,平均巡航高度8900米。

一次向西,与地球的自转方向相反,总计耗时48.6小时,平均巡航高度9400米。

沿相反的方向做两次环球飞行,是由于地球的公转和自转速度会影响飞机相对于地心的速度;随身携带四台铯原子钟则是出于严谨以及降低误差的目的。

由于距离地面越高引力就会变得越小,因此在实验的过程中,被带上飞机的铯原子钟不仅会受到“速度时间膨胀效应”的影响,还会受到“引力时间膨胀效应”的影响,最终的结果为两者之和。

完成两次飞行之后,哈菲尔和基廷将客机的速度、高度、线路等参数代入相对论的一系列公式中,计算出了飞机和地面的铯原子钟走时会出现多大差异;然后又将携带的铯原子钟与位于美国海军天文台的铯原子钟进行了比对,最后得到了如下结果:

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截图上半部分的文字是实验过程的简介,就不用去管它了,我只把数据部分翻译一下:

向东飞行时

  • 引力膨胀预测值:+144(±14)纳秒
  • 速度膨胀预测值:-184(±18)纳秒
  • 合计预测值:-40(±23)纳秒
  • 实际观测值:-59(±10)纳秒

向西飞行时

 

  • 引力膨胀预测值:+179(±18)纳秒
  • 速度膨胀预测值:+96(±10)纳秒
  • 合计预测值:+275(±21)纳秒
  • 实际观测值:+273(±21)纳秒

从上述数据中可以看出:如果飞机以8900米的高度向东飞行41.2小时,时间流速在理论上应当比地面大约慢40纳秒,而实际观测结果是慢了大约59纳秒;如果飞机以9400米的高度向西飞行48.6小时,时间流速在理论上应当比地面大约快275纳秒,而实际观测结果是快了大约273纳秒。

理论计算和现实观测的结果几乎是一致的,微弱的差异主要来源于飞机在航行过程中受到的一些客观影响。不过,相较于光速而言,飞机的速度实在太慢了,飞行40多个小时才出现了200多纳秒的差异,而十亿纳秒才等于1秒,这微不足道的差异完全可以忽略不计。

值得一提的是,实际观测值中的-59纳秒和+273纳秒这两个数据,是四台铯原子钟的平均值,故而也分别包含了±10和±21纳秒的测量误差。

实际上,在向东和向西飞行时,飞机上的四台铯原子钟与海军天文台的原子钟之间差值分别为:

120号原子钟:-57纳秒;+277纳秒。

361号原子钟:-74纳秒;+284纳秒。

408号原子钟:-55纳秒;+266纳秒。

447号原子钟:-51纳秒;+266纳秒。

从这组数据中我们也能看出,当飞机顺着地球自转方向飞行时,四台铯原子钟的走时全都慢了59纳秒左右;逆着地球自转方向飞行时,四台铯原子钟的走时全都快了273纳秒左右,并且理论预测的情况也的确应当如此,且数值基本吻合。

由此可见,哈菲尔-基廷实验完美地证明了《相对论》的正确性——在速度与引力不同的情况下,时间的流逝速度确实会变得不一样。而爱因斯坦在铯原子钟还未发明出来时,就准确地预料到了这一点,甚至将预测的结果精确到了纳秒,这便是他的伟大之处。

事后,这项实验的论文被发表在了“美国科学促进会(AAAS)”出版的学术期刊《Science(科学)》上,这也是全世界最权威的学术期刊之一。

同时,哈菲尔-基廷实验的结果也为GPS卫星的时间修正提供了参考。因为GPS卫星以7.9公里/秒的高速在引力更小的太空轨道上运行,会产生更强烈的时间膨胀效应,倘若不强行修正,使其与地面时间达成同步,就无法提供准确的位置信息。

综上所述,《相对论》以及时间膨胀效应无论多么颠覆我们的认知,它的确是正确无疑的。

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THE END
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