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爱因斯坦的相对论:时间、引力和GPS的应用

时间:2023-08-17 理论教育 版权反馈
【摘要】:“是因为引力,小星星,高的地方受到的地球引力比较小,这是爱因斯坦先生告诉我们的,引力会改变时间的走速,在引力比较小的地方,时间相对走得比较快[3]。”[2] 现在这一理论被广泛应用于星载GPS,由于太空轨道上的GPS距离地表较远,时间的走速会变快,为了得到准确的数据,在发射之前会将其走动的频率调慢。相对论认为,这是宇宙中物质运动的速度上限。

爱因斯坦的相对论:时间、引力和GPS的应用

爸爸说了一件星星从没听说过的事。过去,当他们去山上观看群星的表演,爸爸也说过关于星际旅行的事,有一天人们离开了太阳系,前往另一颗恒星的家园。就像现实中的火车运营那样,星星还以为登上了星际的快车,所有车站的时刻表也是统一调好的。爸爸现在才告诉她,一切都错了。

“时间的走速不是不变的,当一台时钟发射到了距离地表一万公里的高空,宝贝,你知道那儿有多高,时钟的走速会快起来,每天大约比地面走快30微秒[1],你看,时间嘀嗒的速度真的会改变。如果有人生活在那个高度,他所经历的一秒钟就会比你的一秒钟短上一些。”[2]

星星歪着头问:“可这是为什么呢?”

“是因为引力,小星星,高的地方受到的地球引力比较小,这是爱因斯坦先生告诉我们的,引力会改变时间的走速,在引力比较小的地方,时间相对走得比较快[3]。”

“所以我们坐飞机的时候时间会走得比较快吗?”星星眨着猫咪般无邪的眼睛。

“如果飞机静止在半空不动,确实是这样的,”爸爸向她投去赞许的目光,“可是一旦移动起来,速度就会改变时间——移动得越快,时间相对就走得越慢;我们坐在飞机里,相比地面上散步的人,速度要快得多,所以时间慢了下来。”

星星挠了挠头,说:“这么看起来,飞机里的时间就像一个面团一样,引力要它快一些,速度又要它慢一些,拉来扯去的。”

“说得真棒!但是你要记得,速度的力气总是大得多。”爸爸的手指温柔地穿过了星星的发丝。

这个早上星星才知道,老人星,这颗缝在夜幕上的云母制作的纽扣,虽然看起来很亮,距离地球却有309.8光年[4]之远。

“那么,外婆飞过来要多久呢?”(www.xing528.com)

“小星星,我相信她会驾驶着最好的飞船回来看我们的,不过,没有办法飞得像光那样快。就算真能那样,光从太阳出发落到地球上只需要8分钟,从老人星飞到地球得足足走上310年。”

“时间会让我们永远地错过……”星星喃喃道,“爸爸,你是说我等不了那么久,外婆也不能飞那么久吗?在飞船里住上几百年,她一定会闷坏的……”星星想起了阳台上,小狗“奥利奥”总是盖着三种颜色交织的毛毯,安静地蜷伏在外婆脚边,妈妈则在一旁似断似续地陪外婆聊天。

爸爸怜悯般地微笑:“宝贝,你是等不了那么久,但是放心,外婆不会寂寞的,想想刚刚我说的,因为飞船飞得太快了,如果以接近光速[5]的速度飞行,飞船里的时间流逝得很慢,抵达地球最多也就消耗她生命中的几天,甚至几分钟,而不是几百年的光阴。飞行的人不会老,等待的人才会老。”

百叶窗透入的晨光重新点亮了星星深褐色的瞳孔。“原来我昨晚梦到的都是真的!外婆真的可以飞回来,她一点儿也没变老!”星星忍不住欢呼。一颗颗光点在她的掌间舞蹈,仿如尘埃。

[1] 这是一个非常小的数字,30微秒等于0.00003秒,不过,由于宇宙尺度下的距离、速度单位都是天文数字,这种时间走速的改变将在星际旅行中发挥很大的作用。

[2] 现在这一理论被广泛应用于星载GPS,由于太空轨道上的GPS距离地表较远,时间的走速会变快,为了得到准确的数据,在发射之前会将其走动的频率调慢。

[3] 即艾尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein,1879—1955)相对论所提出的钟慢效应。

[4] 指光在真空中传播一年的距离,1光年大约为9.46万亿公里。

[5] 指光在真空中传播的速度,每秒约为30万公里。相对论认为,这是宇宙中物质运动的速度上限。

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