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?

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? 都说物体运动的速度越快,其是时间流逝得也就越慢,但我觉得这只是相对的观察时间变慢了而已,难道绝对时间也会跟着变慢吗?这到底是怎么回事啊?


由网友 科学矩阵 提供的答案:

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。

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:

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。


由网友 赛先生科普 提供的答案:

结局分为如下两条:

如果飞船与地球之间的距离在不断增加,也就是飞船与地球都一直保持惯性系,那么时间变慢是相对的,各自都觉着对方慢。

反之,一旦飞船要回到地球,那么这个时间相对就被打破了,最终是飞船内的时间变慢。


考虑到实际情况,一般来说飞船必定是要返回地球的,否则怎么验证原子钟时间是否变慢呢?说到这点,可能有些朋友想到,飞船不必回来,只要朝地球发射电波信号即可,信号携带着飞船原子钟的时间信息。

这个方法也是可行的,设计流程是这样的,起飞前,约定好飞船内部人员在其原子钟显示为特定时间时(比如为一小时,毕竟飞船的速度极快,否则相对论效应很难体现),就向地球发送带信号,告诉我们飞船内部时间为一小时。

考虑到信号传播需要一定时间,地球上的人在结合相对论效应的基础上,可以推算自己能在几时几分接收到飞船信号。如果成功,则说明飞船内部时间相比于地球确实变慢了,否则该信号将会在其它时间段被接收,那就说明相对论预测失败。

同样的,这样的实验,飞船内部人员也可以进行测试。

但实际上,咱们目前的科技还做不了如此高能的实验,但科学家们已经通过其它现象观测到了这个效应的存在,比如利用宇宙射线中的μ子进行统计测量实验,还有就是1971年进行的原子钟环球飞行实验(虽然这个实验严格来讲是验证了广义相对论)

此外前文还提到了另一种结局,就是飞船返回地球,这实际上就是双生子佯谬问题,具体解释可以看我主页里8月份写的文章。

期待您的点评和关注哦!


由网友 精准魔性译音空耳君 提供的答案:

飞船运动速度越快,时间流逝越慢。说的是相对于速度慢的或静止的物体,并不是相对它本身。

对于自身来说,无论自身如何运动,速度都视为0 高速运动并不会给自身增加寿命。

(如下图)比如飞船0.9999倍光速运动,你在飞船上走一步、或者打个喷嚏、或者想一想3+2-5=多少、或者转个头吐个口水,你只会感觉到你花了1秒,而地球上的人会看到你用了71秒。





由网友 天泽方圆之杨春顺 提供的答案:

这是空间引力风作用于三元运动变量条件,而产生阻力作用的必然结果!详见2017年第1期《科学中国人》中的《辩证的绝对时空观》一文。


由网友 香烟飘渺35 提供的答案:

首先,飞船上的原子钟比地面上的快!然后,环境因素不同,有快慢正常!


由网友 榻榻米的榻榻 提供的答案:

除非飞船速度快到接近光速让相对论效应表现出来,或者累计飞行时间足够长让差别积累到足够明显的数量级,否则以人类目前制造宇宙航天器的水平来说,尚且不足以在短时间内产生明显差距。


由网友 digo15 提供的答案:

因为相对运动

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