| 词条 | 时间膨胀 |
| 释义 | § 发现过程 时间膨胀人么通常会认为，光波的速度因与人们运动的方向相同或相反或取各种中间角度而有所不同。令人惊奇的是，爱因斯坦却认为事实上不会是这样。20世纪初，爱因斯坦就认识到，人们的时空观并不完善。他是通过分析电和磁相结合产生电磁辐射（例如光辐射）特性的规律得出这个结论的。他认为，如果光在一切测量中具有协调一致的特性的话，在物理学中光速必定扮演着主要角色。特别是，真空中的光速必须不变，无论光源和观察者做什么样的相对运动，真空光速总是每秒三十万千米。 § 牛顿与爱因斯坦的对立 时间膨胀公式17世纪，牛顿曾提出过一个相对性的经典说法。当时他主张，作为参照基准的参考框架，无论做什么样的匀速直线运动，都不会对实验（包括物理的运动）产生影响。爱因斯坦认为这种说法与他的电磁学理论格格不入，当他试图搞清楚以光速运动的观察者所看到的光波将会是什么样时，他遇到了纠缠不清的情景。于是他清醒地认识到，为了在物理学领域取得协调一致的答案，就不能把空间只是看成供我们生活居住的容器。它还必须具有某些特性，例如人们以高速运动时，时间尺度将会改变，同时，空间尺度也会改变。在这个意义上，空间和时间是缠绕在一起的，空间和时间原是同一件事物不同的相对表现形式。牛顿的绝对时空就是哲学或人们通常意义上所感受的时空，即在每一刻，都对应整个宇宙的某一态。从牛顿的绝对时空看来，这星光传播过程中，时间就一直在变大，在膨胀。现今世界上最具权威的美国《科学》杂志，最近一期一篇文章明确指出，宇宙膨胀不是光的多谱勒效应，是时空本身的膨胀，而实际天文观测证实的，包扩哈勃红移在内，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。分析时间的膨胀，就涉及时空本质的理解，就物理学而言，我们就有两种时空：牛顿的和爱因斯坦的。时间膨胀 牛顿的时空称绝对时空，表面看起来。它的时间和空间是毫不相关的，实际上。从它的引力所具有的无限大速度的假设,可以知道，牛顿的绝对时空就是哲学或人们通常意义上所感受的时空，即在每一刻，都对应整个宇宙的某一态。从宇宙的各向同性和平滑性，知这一刻对一态虽然在观测上不可行，但理论和人们思维上却是可行的。空间的三维始终应对时间的一维，这是用思维观时空，是横向看时空，空间的三维和时间的一维一一对应，我称之为三一时空。三一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，是用眼睛看时空，以光速为极限，将过去和现在联系在一起，是纵向看时空，时间和空间缠绕在一起，人称四维时空。爱因斯坦曾有过一个设想，当一个人以光速运动时，一道光在人眼前穿过，这个人所看到的光应为弯曲的。时间膨胀时间的膨胀是观察者观察的结果，是四维时空的产物，时间倚观察者而变，观察者的时间代表着真实的唯一存在，是四维时空模型中时间的最大值；观察者的时间代表着此刻，若设这个时间为零，其它被观察体的时间都为负值。在观察者本身却无法发现时间膨胀的原因，必须横向看时空，用牛顿的绝对时空观，就能发现时间膨胀的原因。例子：假设一星体离地球60亿年，星像分离的一刻，宇宙的态对应时间为T，10亿年过去，这星体的像走了10亿光年，宇宙的态对应时间为T+10；再10亿年过去，这星体的像又走了10亿光年，宇宙的态对应时间为T+20；最后，经过T+30，T+40，T+50，到达地球时，宇宙的态对应的时间为T+60亿年。从牛顿的绝对时空看来，这星光传播过程中，时间就一直在变大，在膨胀。从横向思考时空，就会发现一个星体的像离开实体一刻起，在传播过程中，时间就一直在膨胀，直到被观察者接收为止。由于星体和观察者之间的时间膨胀是一定的，人们收到的星光的红移值就是一定的。这时间膨胀现在被解释为空间的膨胀，即这星光经过的路程被延长，延长的原因是过去比较热，空间热膨胀，道理上应能说得过去，但事实是现在空间已经这么冷了，人们却发现时间膨胀在加速，时间膨胀解释为空间膨胀就说不过去了。 空间性质的改变也能造成时间的延长，比如光不从空气中而从水中传播，接收者就会发现时间延长了。由热力学第二定律看，时间是不可逆的，空间尽管是真空，随时间的性质变化也是不可逆的。真空性质能有什么变化？真空的电场磁场引力场总在，电向磁的变化，引力的变化都是不可逆的。宇宙的星系一直都在不断变化中，空间的性质也在不断变化中。就地球而言，地球在诞生时空间还没有大气，也不是一个蓝色星球；现在地球的温室效应，地球膨胀引起的空间的膨胀，都会产生空间性质的变化，同样会产生时间膨胀效应。空间本身由电向磁的转换，即由红向蓝的转变，就当然地造成红移，时间的膨胀。也许这一切分析都是多余的，时间的膨胀就是时间的膨胀，从被观察物体到观察者，横向看时空，就有时间膨胀发生；太阳光到地球就有红移发生，不能也不要把时间变换成人们能理解的空间的什么东西，这样会犯错误的。道可道,非常道;时间是我们永远猜不完的谜。 § 应用方法 时间膨胀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。人们注意到，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，假定人们测量正向着人们运动的一只时钟所表明的时间，人们就会发现它要比另一只同人们相对静止的正常走时的时钟走得慢些。另一方面，假定人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。人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。当人们对向大家飞来的宇宙射线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，从人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。人们完全清楚，在平常的生活中看不出空间和时间有这种畸变。这是因为人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。由于人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人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，而它也不断出现在科幻小说家的笔下，并有了许多优秀的作品。 § 相关试验 时间膨胀公式1、实验原理使用传统所用的摆钟，要比较“动钟”和“静钟”的快慢，不可回避地存在一个“二次相遇”的难题；但是对于原子钟而言，这个问题已经不复存在。爱因斯坦在1952年为《狭义与广义相对论浅说》英译本第15版添加的“附录”中写道：“我们可以将发出光谱线的一个原子当作一个钟”（2-P106），实际上原子钟仅指原子本身而已，跟那结构相当复杂的“钟体”并没有关系。这样一来，我们就有了在实验室内完全静止的条件下比较两台“原子钟”快慢的前提。只需要知道两台原子钟工作时的温度差异，就可以定性地获悉两台钟铯原子喷射速度的大小；如果知道两台钟铯原子喷射的具体速度，就不难定量地测出△ν和△V之间的对应关系。依据两个展开式可知：如果△ν∝△V，用（1）式解释是正确的；反之用(2)式解释是正确的。2、实验条件选取两台频率一致性和长期稳定性均在10-13量级以上的铯钟，条件是己知两台钟工作时的温度、最好是铯束喷射速度存在较大差异。只需要将两台钟和比相仪或时间间隔器相联结，经过一定的时间间隔就可以依据记录曲线判定哪种解释是正确的。3、预期结果实验结果可以证明：狭义相对论揭示出的横向多普勒频移，应该是频率增大、即向光谱的蓝端移动；正确的解释应该是“时间收缩”，或曰“运动时钟变快”。 § 自然效应 时间膨胀时间膨胀（变慢）效应是狭义相对论的基本组成部分之一，讲的是在两个相对作等速运动的坐标系内，存在着时间相互膨胀的现象。狭义相对论问世以来，为了验证这个理论的正确性，很多的物理学家从不同的角度进行过各种实验，虽然实验方法不相同，但按其性质大致可分为以下几类： （1）多普勒频率移动效应例如IvesStilwell所作的氢离子极隧射线实验[1]、Olin等人[2]利用运动原子核发射射线的实验。Pound和Rebka利用穆斯堡尔效应所作的实验[3、4][5]、Champeney和Moon[6]Kündig[7]以及其它一些工作[8、9]等都证实了横向多普勒效应的存在。而这种横向多普勒效应则被认为是时间膨胀的结果。（2）原子钟飞行实验[10]原子钟环绕地球飞行时，向东飞行的原子钟发现地面上的原子钟走得慢一些，而向西飞行的原子钟则比地面上的钟要快一些。实验者认为，这是因为向东飞行的原子钟的实际运动速度，大于向西飞行的原子钟的运动速度。实验结果被宣称为狭义相对论时间膨胀理论的证明。（3）运动介子寿命延长现象π介子和μ介子以接近光速运动时，寿命显著大于“静止”介子的寿命。这种实验结果也被看作为时间膨胀效应的证明[11、12、13]。作者认为以上三类实验只能看成时间效应的间接证明，并非时间效应的直接证明。 因为：a.横向多普勒效应的产生虽然有可能是因为时间膨胀所引起的，但也有可能是其它物理原因所引起的，和相对论的符合也许只是一种巧合，作为相对论的实验依据是不充分的。b.飞行原子钟也存在着同样的问题，因为时钟变慢不等于时间变慢。时钟变慢可能是时间变慢引起的，也可能是其它物理原因引起的，如果飞船上放置的不是原子钟，而是伽利略式的摆钟，由于高空重力加速度小于地面的重力加速度，摆钟的周期也将加大，这种现象是否也可以说成是时间变慢的效应。c.关于介子寿命延长一类的实验，同样存在着不少疑问。首先要问进入铅版的介子是立即转变为静止介子，还是需要一个减速的过程？速度较高的粒子其减速时间和速度较低粒子的减速时间是否相同？还要进一步问一下，节子蜕变为其它粒子时是达到静止状态以后才发生的还是减速到一定能阀后但尚未达到静止状态以前就发生？换句话说“静止”介子是否存在就是一个值得探讨的问题。也许运动的介子其寿命本来可以是很长的，由于和其它物质相互作用，使其速度减小，当达到某一能阀时产生蜕变。所以这类实验也不能充分证明相对论的时间变慢效应。d.如果说上述各项实验的确证实了时间变慢效应，也只是证明了某一特定的坐标系内存在这种效应，而相对论的时间膨胀效应是在两个坐标系内相互发生的。时间膨胀迄今为止尚无一个实验能作为这种相互效应的证明。这也就是所谓双生子佯谬的问题。相对论者认为这个问题已经从理论上得到解决，其理由是：飞船离开地球时有加速度，回到地球有减速度。在这两段期间飞船是非惯性系。由于加速和减速，飞船上的双生子乙将变得比飞船上的甲年轻。作者认为这个解释和相对论的基本出发点是矛盾的。相对论认为一切运动都是相对的，则两个坐标系既可以相对作等速运动，也可以相对作非等速运动。等速运动是相对的，加速运动也是相对的。从地球坐标系来看，飞船是非惯性系，但从飞船坐标系来看，则地球是非惯性系。如果说加速度能使飞船上的双生子乙变得年轻，加速度也能使地球上的双生子甲变得年轻。但这是不可思议的事，因此双生子佯谬并没有真正在理论上得到解释。飞行原子钟实验结果发表后，有人认为可以作为上述理论的验证。作者不同意这种牵强附会的看法。因为飞船上的原子钟和地面上的原子钟的差异所能肯定的不是一种时间相互膨胀的效应，而是肯定了时间不存在相互膨胀的性质。此外，从地面上的观测者来看，向东飞行的非飞船和向西飞行的飞船并没有什么两样，因为两者相对于地面上的运动速度是相同的。所谓向东飞行飞船的速度大于向西飞行飞船的速度不是相对观测者而言的，而是相对地轴坐标系而言的。因此飞行原子钟所能肯定的并不是相对论所讲的发生于两个观测者之间的相互效应，而是肯定了这种效应只能发生在。 某一特定的（脱离观测者的）坐标系中，是一种绝对效应。正如前面已经指出的，飞行原子钟变慢的效应并不等于时间变慢，这是再次强调的问题。我们还可以设想，如果实验结果是飞行原子钟与地面原子钟走得一样快，相对论又会说这是因为向东和向西飞行的原子钟与观测者的相对速度一样。也就是说不论任何情况发生，均可以说相对论得到验证，岂能令人置信。作者在上章中指出，横向多普勒效应应该是时间膨胀和空间收缩（如果相对论是正确的话）的综合反映。而已知实验最多只是反映了时间膨胀的效应，根本没有考虑到空间收缩可能产生的后果。应该指出，时间变慢和空间收缩是两个互相依存的效应，如果实验不能反映空间收缩，就意味着不能肯定时间膨胀，最终导致相对论理论体系的否定。总之，双生子佯谬并没有解决，横向多普勒效应和飞行原子钟变慢的现象并不等于时间变慢。探索这些物理现象的真正原因是十分必要的工作。时间膨胀作者在上一章中指出，当中性原子以速度v作整体的机械运动时，外层电子的波尔半径保持不变。外层电子在不同能级上跃迁时，所辐射的光子上附着有相应的引力量子，总质量为m=2)（式中m0是静止原子所辐射的光子质量），光子相对原子坐标系的速度为c'=(1-)¼c-----------（1）式中c为静止原子所辐射的光速。量子论有一个基本公式hv=mc2-------------（2）（2）式提出时，没有考虑光子附着引力量子的因素，将这个因素加以考虑后，有两种可能性存在，即：（2）式中的是光子本身的质量可附着的引力量子质量之和；或（2）式中的是指光子本身的质量，在吸附引力量子后，该式是近似的。作者认为后一种设想是合理的，因为决定光的振动频率的效应应该是光子本身，与吸附的引力量子无关。这样（2）式就可改写为：hv=m0c2------------（3）这就是说，光的频率是由光子本身的质量和光速的平方值所决定的。当原子以速度运动时，想岁原子坐标系的光速度为（参见上一章（2.5式）则hv'=m0(1-)c2=(1-)hv--------（4）故v'=(1-)v----------------（4）式中v'为原子以速度v运动时，辐射光子频率。或写成v-v/2λλ/2----------（5）现在用本文的观点对横向多普勒效应作出解释：a.在应用极隧射线所作的实验中，被电场加速的应该是没有外层电子的氢离子（质子）。因为氢离子本身不发光，故必定存在一个与其它原子外层电子短暂结合的过程。按照作者观点，结合前的离子作电磁运动，结合后的原子作机械运动。二阶多普勒效应包括三部分：（a）按第三章（22）式1)计算的λ1λ；（b）按第四章（25）计算的纵向效应1)λ20.25λ；（c）按本章（5）计算的能量效应λ30.5λ即λ1.75λ（为相对论结果的3.5倍），和Ives实验结果相比较，除个别数据有一些差距外，还是比较接近的。该实验之所以被认为证实了时间膨胀效应得到证明，是因为假定光线是由氢原子团（H2，H3）发出的。 众所周知氢元素是以原子、分子或离子的形式存在的，所谓的“原子集团”是如何形成的？如何能证明其确实存在？它们在电场中如何被加速？其运动速度又如何决定？因此这种解释是牵强的，具有拼凑的性质。它既不能证明Ives所希望证明的以太收缩效应，也不能证明相对论，而应该看成否定相对论的效应。b.应用穆斯堡尔实验所作的实验中，光源与接受体的运动均属机械性质，古可用本章（5）式来解释。c.应用原子核反映中的γ射线发射所作的实验中，虽然离子束具有电磁速度，但它的产物Ne20的反冲速度则已转化为机械性质。即由电磁能转化为机械能。故仍可用（5）式来解释。因为二阶多普勒效应既是一个小量，又是一个很多因素影响的物理现象，所以本文的观点仅仅具有探索的性质，有待进一步的研究。前面已经讲过，介子寿命延长现象不能证明时间膨胀效应。作者倾向于认为，介子有减速到一定能阀后才会发生蜕变，速度愈大的粒子所需要的减速时间也愈长，这就是高速粒子与相对低速的粒子相比，生存时间较长的缘故。虽然从某些实验结果来看[12,13]，似乎时间变慢的效应已经得到了定量的证明。不过，这些实验所测到的τ0未必真正是介子的静止寿命；因为进入铅版的介子是否回瞬刻之间即减速到零？介子蜕变时是否处于静止状态？和铅原子的相互作用是否是加快介子蜕变的原因？等等都是有待进一步探讨的问题。 § 时间膨胀的结果 时间膨胀对于时间原并没有来争论的，这是由于爱氏的相对论导出时间膨胀的假说，这就造成的后人的争论。对于时间膨胀的假说，在相对论的当初人们就与以回击。我们无需作几个实验来证实时间是否可以膨胀，实际上这个实验是无需做的，因为，相对论自身就相矛盾。这主要表现在：相对论是建立在相对性原理的基础上的。它并没有对相对性原理提出异议。首先可以肯定地讲，在相对论的理论中，运动也是相对的，不存在绝对运动。它还是利用牛顿力学的惯性系的定义。无论现在相对论的支持者能提供多少个实验来证实时间的膨胀效应是与实验吻合的。对于老百性来说，我们不关心实验的具体数据是否与相对论所预测的符合。说以家常的方式来讲一下相对论原理吧。当初反驳者就是以双生子的问题提出来的。可是，至今也没有一个比较圆满的解答。双生子的问题中最能说明相对论时间膨胀效应与相对性原理的矛盾性。这个问题中，如果能确立绝对运动，那么双生子的问题才可得以圆满解决。否则，运动是相对的。无论出去的人，还是留地地球上的人皆是平权的。不存在的一绝对的惯性系或参考系。所以两者所渡过的时间也是相同的。不同的。只可能有视觉时间的变化。对于双生子的问题争论中，相对论的支持者都是以飞船有加速与减速的过程，所以与地球上的人不平权来加以敷衍塞责。谁也应明白，飞船的加速与减速是有的。不过这仅是一个过程而已，而不能代表它飞行的整个过程，它的大部分时间是相对于地球作匀速飞行的。至于说匀速飞行中它应用什么效应正是狭义相对论中所讲的。可以，狭义相对论又说明不了什么。如果把匀速运动中的飞船算到时间膨胀效应中的话。相对论就自相矛盾了。所以相对论支持者总是回避这一点。 § 现代研究 时间膨胀根据爱因斯坦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座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。 § 参考资料 1、http://forrootbasic.51.net/shkl/shkyd/shjbeimtl/10441.htm 2、http://home.donews.com/donews/article/7/74901.html 3、http://zhidao.baidu.com/question/31857341.html?fr=qrl |
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