解读时间膨胀:黑洞附近1小时相当于地球7年,人类会永生吗?

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一百多年前,爱因斯坦的相对论横空出世,彻底颠覆了人们的时空观。牛顿的绝对时空观也因此被爱因斯坦提出的相对时空观代替。

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虽然绝对时空观在人们心目中根深蒂固,而且非常符合我们的日常认知,但越来越多的实验证明相对时空观的正确性。

相对论包括狭义相对论和广义相对论,前者是后者的基础,后者是前者的推广,比前者更具普适性。

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相对论有一个重要的思想,那就是时间膨胀效应(钟慢效应)。速度和引力都会影响到时间流逝速度的快慢。

简单来讲,速度越快,引力越强,时间流逝速度就会越难。

从更深层去理解相对论,时间膨胀效应其实是时间,空间和物质三者之间的关系,时间和空间是密不可分的整体,简称“时空”。你不可能找到没有时间的空间,反之也不存在没有空间的时间。

同时,物质的运动会对周围时空造成影响。

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物理学是非常严谨的,而相对论的整个论证过程其实是相当复杂的,涉及到非常复杂的公式,还有高等数学,看起来比较晦涩难懂。

而作为科普工作者,要做的就是把复杂的东西简单化,通俗化。尽管这样做不可避免地会出现不太严谨的地方,但并不影响我们对物理理论的影响。

回到上面的问题,速度越快,引力越强,时间就越慢。这就是对相对论中“时间膨胀效应”的通俗解释。

具体能变慢多少呢?

纯理论分析,能慢到接近于时间停止。

速度无限接近光速,引力足够大时(比如黑洞的史瓦西半径,也就是事件视界),时间就趋于停止!

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也就是说,光速和黑洞的事件视界是时空结构终结的地方。

何为时空终结?

可以这样通俗理解:一旦达到光速,或者身处黑洞事件视界,你将身处一个完全不同的时空结构里,我们无法理解的地方。

光速,我们无法达到,因为任何有静质量的物体都无法达到光速,所以单纯地依靠速度,我们只能无限地让时间流逝速度变慢,并不能让时间停止。

速度让时间变慢的公式为:t'=t/√[1-(v/c)²]

公式本身并不复杂,很好理解。t'是变慢后的时间(高速飞行的时间流逝),t是观测者的时间(低速世界),v是相对低速世界的速度,c是光速。

引力让时间变慢的公式为:t'=tx√(1-2GM/rc²)

公式为不难理解。G是万有引力常数,M为天体质量(比如地球),r为物体到天体中心距离。

两个公式的推导过程相对比较复杂,这里不再详述,有兴趣的朋友可以试试看。

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根据速度计算公式(第一个公式),飞行速度必须非常接近光速,时间膨胀效应才会比较明显。

比如,如果你的飞行速度达到光速的一半,时间只能变慢15%。

也就是说,你以光速的一半(相对地球)飞行一年时间,地球时间只过去了1.15年!

当速度达到光速的99%时,时间膨胀效应就非常明显了,可以达到7倍。飞行一年,地球时间过去七年!

同样地,引力也会影响时间流逝的速度。引力越强,时间膨胀效应越明显。

著名科幻电影《星际穿越》相信很多人都看过,其中就有一个重要情节,主人公在黑洞附近停留了一个小时,地球时间竟然过去了七年之久,时间膨胀了六万倍!

看到这里,可能有人会有这样的疑问:既然时间会变慢,那么人们可以因此寿命更长,甚至长生不老吗?

并不会!

相对论非常重要的一点就是“相对”两字,必须有两个不同的参照系,才能让时间膨胀效应得以体现。

假设你可以亚光速飞行(相对地球),你本身的时间(本征时间)流逝速度并不会有什么改变,如果地球上的人能看到你,会看到你的时间变慢了而已。

当然,你也会看到地球上的时间也静止了。

你们都没错,只是参照系的选择不同罢了。

那么究竟谁的时间变慢了呢?你,还是地球上的人呢?

只能说,对比两个不同参照系的时间流逝速度并没有太大意义。正如上面所说,你和地球上的人都会认为对方的时间变慢了!

以后当你们重新回到同一参照系(亚光速飞行的你返回地球),才会对此出到底谁的时间变慢了,答案就是:你的时间变慢了!

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这也是著名的双生子佯谬,具体推导过程不再详述,以后的文章会涉及到。

好像有点扯远了!

对于目前的人类来讲,单纯地依靠速度让时间变慢不太现实,因为速度越快,质量就越大,需要更多的能量才能继续加速,还要考虑因速度过快带来的其他问题。

而且速度带来的时间膨胀效应并不明显。

用超强引力让时间变慢也比较难,我们很难在短时间内到达黑洞附近。

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而有一种方式堪称星际旅行的完美方案,那就是虫洞。

通过虫洞,我们甚至不需要任何加速,就可以瞬间穿越浩瀚宇宙距离。

遗憾的是,虫洞的概念目前仍旧停留在科幻阶段,或许有朝一日人类科技足够发达,就能够制造出随意穿越宇宙空间的虫洞!

标签: 科幻电影解读

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