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[图文]重力为什么会影响时间?           ★★★ 【字体:
重力为什么会影响时间?在黑洞里时间会停止吗?
作者:吴俊辉    文章来源:科学人    点击数:    更新时间:2008-03-22
重力为什么会影响时间?在黑洞里时间会停止吗?
台湾大学物理系暨天文物理所副教授吴俊辉回答:
 

 

 

我们常说这个表不准,或是那个钟不准,表示在我们的现实生活中,时间有一个绝对的参考标准,这个标准通常可以用原子钟来规范。在传统的物理中,时间的快慢也只有一个标准,和重力的大小扯不上关系,然而在爱因斯坦于20世纪初提出「相对论」后,一切都改观了。

广义相对论的主要内涵可以用「爱因斯坦方程式」来表述,就像牛顿第二运动定律可以用F=ma来表述一样。牛顿的式子中,用等号(=)连结了「力」(F)和「加速度」(a)这两个物理观念,然而爱因斯坦方程式则是用等号连结了「时空的结构」和「空间中能量的分布」两个物理观念,也就是:

时空的结构=空间中能量的分布

爱因斯坦把传统物理中的「重力」概念解释成一种「时空结构扭曲」的自然现象,而这个扭曲程度的大小(也就是重力表现的大小;即上式的左手边),则由空间中能量「不均匀」分布的程度(即上式的右手边)来决定。能量越是不均匀分布,则时空结构就越扭曲,其所表现出来的重力现象也就越大,同时这个「时、空」扭曲也会让时间的流逝变慢。所以用物理的因果逻辑来解释,严格而言并不能说是「重力影响了时间流逝的快慢」,而是说「空间中由于能量的不均匀分布(例如脚下的地球就是极大质量聚集在一起的表征),造成了时空结构的扭曲,而这个扭曲所表现出来的,一个是重力的产生(例如地球的重力),另一个则是时间流逝的变慢」。时空扭曲越厉害的地方,不但表现出来的重力越大,其时间的流逝也越慢!

了解这点以后,我们就可以用上面的式子来解释黑洞。黑洞其实就是能量分布极度不均匀(集中在其中心)所造成的一个物理现象,根据上式,它会造成时空结构的极度扭曲,让其附近的光的路径都扭曲指向黑洞的中心,致使光子无论如何都无法逃离,而形成「黑」洞。如之前所说,这个时空扭曲也会让时间的流逝变慢,然而这所谓的「变慢」,是对极远处一个不受重力的观测者而言。

试想,站在一个离黑洞很远的地方观察一艘宇宙飞船驶入黑洞中,观测者会看到宇宙飞船在接近黑洞边缘(称为事件视界)的同时,其中的航天员动作会无止尽地慢下来,宇宙飞船内所挂的钟也会无止尽地慢下来而趋完全静止,那是因为宇宙飞船受到极大的时空扭曲,致使它的时间流逝比身处无时空扭曲之观测者的时间为慢。如果宇宙飞船到达黑洞边缘的话,则观测者会看到它的时间完全静止。反观就宇宙飞船里的人而言,在宇宙飞船渐渐接近黑洞时,他会发现外面远处的观测者动作渐渐变快,就像是录像带影片的快转播放一般。因此航天员并不自觉时间变慢,而是远处的观察者看到他的时间变慢。所以这个航天员如果自觉花了一星期绕行黑洞外围一圈,而且很幸运地没被它吞噬,那么等他再回到远处的观测者处时,有可能会发现观测者所在地的时间实际上已经过了一亿年!

总而言之,当我们感受到有越「大」重力存在的地方,表示该处的时空结构扭曲就越厉害,其时间也就过得越「慢」。举一反三,十层楼房中的一楼,与地心的距离比顶楼近,所以重力较大,因此时间也就过得比顶楼慢。所以你如果要活得比别人久,记得要住一楼不要住顶楼,因为一楼的时间过得比较慢!至于一辈子住下来可以多活多久,依据爱因斯坦的广义相对论来推估,你可以多活一微秒!

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