1905年春天，在回家的路上，沉默寡言的愛因斯坦在離奇格羅格塔幾英里遠的地方登上電車。奇格羅格塔是俯瞰伯爾尼的豪華鐘塔。愛因斯坦只是一個專利辦事員，他一有空就開始思考宇宙的真理。對于這樣一個天才，雖然我們嘲笑自己的幻想為白日夢，但是我們會敬佩地稱他的為思想實驗。他在那輛有軌電車上想到的一個思想實驗徹底改變了現(xiàn)代物理學(xué)。

愛因斯坦曾想過，如果電車以光速行駛，會發(fā)生什么。看到宏偉的鐘樓，他意識到如果他以每秒186,000英里的速度行駛，那么已經(jīng)莊重地移動過的鐘表指針現(xiàn)在似乎會完全凍結(jié)。同時，愛因斯坦知道，回到鐘樓時，指針將正常旋轉(zhuǎn)—時間將正常運行。但是，對于愛因斯坦來說，時間變慢了。他得出結(jié)論，穿越空間的速度越快，穿越時間的速度就越慢。這怎么可能？

愛因斯坦的困境

愛因斯坦深受兩位偉大物理學(xué)家著作的影響。首先，是他的偶像牛頓發(fā)現(xiàn)的運動定律，第二，是麥克斯韋制定的電磁定律。但是，這兩種理論是矛盾的。麥克斯韋（Maxwell）推測，諸如光之類的電磁波的速度是固定的，每秒高達186,000英里。他聲稱這是關(guān)于宇宙的基本事實。

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沒有什么比光速快。（照片來源：Pexels）

牛頓定律暗示速度總是相對的。相對于靜止的觀察者而言，以40 mph行駛的汽車的速度為40 mph，而相對于以20 mph行駛的相鄰汽車的速度僅為20 mph?；蛘?，以60英里/小時的速度向同一輛汽車駛向相反的方向。當將相對速度的概念應(yīng)用于光速時，它與麥克斯韋的表面基本事實不符。這給愛因斯坦帶來了嚴重的困境。

這種矛盾使愛因斯坦提出了令人難以置信的想法，但這也是物理學(xué)史上最具突破性的主張之一。要了解矛盾并因此弄清時間為什么變慢，我們來看看另一個獨創(chuàng)性的思維實驗，它是愛因斯坦最好的實驗之一。他想像一個人站在車站月臺上，兩邊的兩個閃電擊中了他。站在這兩個點中間的那個人同時觀察到兩側(cè)的光束。

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但是，當火車上的一個同伴以光速駛過該場景時，看到該場景時，事情就變得異常了。根然而，當一個人在火車上以光速通過時，看到這一場景，事情就變得特別了。

根據(jù)運動定律，離火車較近的閃電發(fā)出的光會比離火車較遠的閃電發(fā)出的光更早到達那個人。這兩個人對光速的測量在大小上是不同的。但這怎么可能呢?根據(jù)麥克斯韋的理論，光速必須是恒定的，與觀察者的運動無關(guān)——這就是所謂的宇宙“基本”事實。 ? ? ? ?

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為了彌補這一差異，愛因斯坦提出時間本身會減慢，這樣光速就會保持不變!與站臺上那個人的時間相比，火車上那個人的時間過得慢一些。他稱這個為時間膨脹。

引力時間膨脹

愛因斯坦稱他的理論為狹義相對論。它很特殊，因為它處理的是恒速。在現(xiàn)實世界中，物體總是在加速和減速，為了使它與現(xiàn)實世界一致，他需要研究他的理論在涉及加速時的影響。對所有普遍現(xiàn)象進行概括和解釋的努力使他發(fā)現(xiàn)了時間和引力之間的關(guān)系;他稱這個新發(fā)現(xiàn)的引力理論為“廣義相對論”。

牛頓相信時間的流動就像一支箭：它只朝著一個方向堅定地前進。在有軌電車上的愛因斯坦假設(shè)時間與速度成反比。由于它的可塑性，它應(yīng)該像空間一樣，有自己的尺度。事實上，愛因斯坦聲稱這兩者是同一件東西，是一種可伸縮的四維結(jié)構(gòu)，宇宙事件就是在這種結(jié)構(gòu)上展開的。他稱之為時空的結(jié)構(gòu)。當愛因斯坦發(fā)表他的研究成果時，人們對他的反應(yīng)和人們對這一非凡成果發(fā)表時的反應(yīng)是一樣的——懷疑。

根據(jù)廣義相對論，物質(zhì)會拉伸和收縮時空的結(jié)構(gòu)，從而使物體不會被神秘地拉向地球中心，而是被其上方彎曲的空間向下推。為了模擬一個斜坡，時空的曲率加速了向下移動的物體，盡管加速度的速率在所有點上并不相同。引力朝向地球表面的力量更大，在地球表面，曲率比其邊緣更強烈。

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即使在技術(shù)上不準確，但蹦床類比是解釋時空扭曲的最簡單方法。

如果重力隨著我們向下移動而增加，則自由下落的物體在表面上某個點（例如B）的下落要比在更高的高度（例如A）上的下落更快。對于自由下落的物體，根據(jù)狹義相對論，B處的時間必須比A處的時間慢一些，因為物體的速度在B處更快。

時間是什么？

那么正確的時間是什么時候?嗯，一個也沒有。愛因斯坦假設(shè)沒有絕對的時間。時間是相對的，它取決于一個人所受的力系，也就是通常所說的參照系。在你自己的框架中運行的時間被稱為固有時間。如果運動定律對所有觀察者來說都是一樣的，不管他們的運動是什么，那么時間一定會變慢，這樣你運動得越快，你的時鐘相對于另一個時鐘運行得就越慢。這就是安妮·海瑟薇在《星際穿越》中對馬修·麥康納所提到的:“在這個星球上的一個小時相當于地球上的7年?！?/span>

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在電車上再次參考愛因斯坦的思想。慢時鐘的出現(xiàn)是我們原始神經(jīng)系統(tǒng)的控制因素，還是時間真的變慢了？時間的放緩甚至意味著什么？時間的反復(fù)無常迫使我們?nèi)?時間本身是什么？這不僅僅是一個討厭的哲學(xué)系學(xué)生在兄弟聚會上互相問的問題。自上古以來，時間的概念就困擾著自然哲學(xué)家和物理學(xué)家。

時間的主要功能是按時間順序記錄事件。然而，直到最近400年，人們決定時間的假設(shè)是恒星繞著我們轉(zhuǎn)，而不是地球繞著它們轉(zhuǎn)。盡管推理的依據(jù)不正確，“時間”仍然表現(xiàn)良好。它之所以有效是因為日子和季節(jié)可以預(yù)測地重復(fù)，當你有一個可以預(yù)測地重復(fù)的東西時，你就有了一個計時機制。

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? ? ?古老時鐘的示例。（提供者：TeePhoto / Shutterstock）

伽利略用這種機構(gòu)的遞歸性質(zhì)來計算運動。如果不考慮時間，描述運動是不可能的。然而，這一次并不是絕對的。即使牛頓提出了運動定律，他也引入了一個時間概念，即兩個時鐘不是以絕對的、獨立的時間同步滴答，而是相互配合。同步是我們制造如此精密和精確的原子鐘的原因。

時間的概念基于兩個事件的同時性，同時性或關(guān)鍵性的巧合，例如火車的到來以及火車剛到時鐘針的恰巧重合。愛因斯坦的理論指出，這些巧合必須受到一個人的舉動的影響。如果平臺上的兩個觀察者和火車不能就同時發(fā)生的事情達成共識，那么他們就無法就時間流逝達成共識。

為了理解運動對可預(yù)測性的影響，讓我們考慮最簡單的計時機制。想象一個由光子組成的計時裝置，它在兩個有限距離的鏡子之間來回反射。假設(shè)光子每次反射都經(jīng)過1秒。現(xiàn)在，把兩個這樣的時鐘掛在地球表面上方的A點和B點上(前面討論過)，讓它們測量自由落體經(jīng)過它們時的時間。自由落體用一個類似的時鐘在自己的參考系中測量經(jīng)過的時間。他們測量的什么?

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觀察兩個運動鏡之間的光子反射類似于觀察網(wǎng)球在運動的火車上彈跳。即使球是火車中某人垂直彈跳的，對于外面的靜止觀察者來說，球也是三角形彈跳的。

當儀器向前移動時，光子在第一次被釋放后，就像球一樣，在被反射后似乎移動了更長的距離。因此，我們對時間的測量已經(jīng)扭曲了!此外，儀器移動得越快，光子反射的時間就越長，從而延長了一秒的持續(xù)時間!這就是為什么時間的流點B是低于點(記得,由于重力,物體下降速度比A點B點)。

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https://www.scienceabc.com/wp-content/uploads/2018/01/Time-Dilation-Light-bouncing-on-mirror..gif當然，差別是微乎其微的。山頂上的時鐘和地球表面上的時鐘所測量的時間之差是納秒。盡管如此，愛因斯坦的發(fā)現(xiàn)仍然具有開創(chuàng)性。重力確實阻礙了時間的流動，這意味著物體質(zhì)量越大，它周圍的時間流逝得越慢。

話雖如此，鑒于整篇文章都討論了光的減速，所以選擇光鐘來證明這一點似乎很方便。但是，時間擴展會影響每個時鐘，無論它依賴于最簡單的電磁現(xiàn)象還是電磁與牛頓運動定律的復(fù)雜組合。廣義相對論的普遍性確保了這一點。實際上，甚至生物學(xué)過程以及因此的時間都在擴大。是的……你的頭比腳稍微老一點！

作者: sciabc

FY: Margaret

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