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住平房的妙处:没想到吧,住得越高老得越快!

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  【本文节选自《奇怪的知识增加了》,作者:马库斯·乔恩(Marcus Chown),湖南科技出版社。经博集天卷已授权在网易新闻平台连载发布,欢迎关注,禁止随意转载。】

  你住在高楼里要比你住在平房里的时候老得快。

  因为爱因斯坦的引力定律告诉我们,引力越大的地方,时间流逝越慢。这就是著名的广义相对论。因为一楼比高楼层离地面更近,所受的引力也略微大一些,时间也会流逝得稍微变慢一点(所以想长寿就去住小平房吧)。

  然而,引力变强导致的时间延缓是细微的,所以想要测出时间究竟慢了多少,就需要借助十分灵敏的原子钟了。2012年,美国国家标准与技术研究所的科学家们就成功地测量出,站在台阶上的人的确比站在台阶下的人老得快。测量方式是,将两个超级精确的原子钟分别放在台阶上和台阶下计时。

  

  那么,为什么在强引力条件下时间会减缓呢?这是因为1915年的时候,爱因斯坦的超级大脑发现引力其实并不存在。

  对的,你没看错,引力就是一种幻觉!

  要理解这个知识点,你可得跟着我动动脑子了。想象有一天你在一个火箭里醒来,火箭在虚无的空间里以1g(大约为一个引力加速度)的加速度飞行。

  其实你没什么感觉,你的脚还是紧贴地面,你能随意走动就像还在地球一般。如果把火箭的窗户封上,你甚至不知道你在火箭里加速飞行。你会以为你在地面上哪个封闭的座舱里。你可能看不出这其中的玄妙,但爱因斯坦却借此揭示了一个惊人的事实:引力就是加速度。

  你也许认为,你脚底紧贴地面是因为有什么力把你牵引向地心,但事实上你只是在做加速运动,但你对此毫无觉察。

  等等,这是怎么一回事呢?

  让我们再次回到加速飞行的火箭里吧。这次,你要从火箭的左端,水平发射一束激光到右端。仔细观察一下,就会发现射在右端墙上的光点比左边发出的光点要更接近地面一些。因为,在光束从左边飞往右边的过程中,地面仍按1g的加速度上升(接近光束)。

  当然,你感觉不到任何的加速度,你还以为你仍在地球上,感受到的也只是地球的引力呢。那么,这种情况下,你如何看待光束向地面弯曲这一事实呢?

  众所周知,光在两点之间只走最短的距离。就像平原上行走的徒步者,两个地点之间最短的路径是直线。但是这对登山者而言则不尽然,他们认为两个地点之间最短的距离应该是曲折蜿蜒的(想象一只高飞的鸟儿俯瞰的景象)。

  由此可以推断,光束之所以在火箭加速运动时弯曲,是因为空间被扭曲了。

  把原本“平整”的空间扭曲成起伏的山丘。而火箭中的加速度其实与地球的引力效果相同,这就意味着是引力扭曲了空间。而事实上,爱因斯坦推导的理论是:引力本身就是扭曲的空间。

  

  说得更精确一点,引力是扭曲的空间以及时间。早在1905年,爱因斯坦就发现,空间和时间是同一个事物的两个方面。我们无法察觉时间—空间的扭曲,因为它是四维的,而我们人类只是低等的三维生物。也只有爱因斯坦这样的天才才得以一窥事物的真相。

  为什么我们的双脚紧贴地面呢?真正科学的回答是:因为地球的时空是扭曲的。想象地球处于时间—空间的谷底,我们都有加速下降到谷底的趋势,但我们下降的路被地表拦截了,它阻止了我们向下加速的趋势。这就是我们感受到的引力。

  引力是扭曲的时间和空间。

  它不仅戏弄空间,让光束的路径弯曲。它也不放过时间,对其指手画脚发号施令。接下来,我就来讲讲(终于!)为什么引力会减慢时间。

  首先,我们假设一个理想状态的“钟”。它由光束和两面镜子组成。光束在两面镜子之间往返。每当光跳到一面镜子上时,则计数一次,算作一次钟表的“嘀嗒”。如果这个钟是摆放在地球上的,那么两面镜子之间的光束不会是直线——现在大家都应该知道原因了吧,这是因为引力会使光束弯曲。

  然后,再把这样两个钟分别放置到高低不同的两个位置上。低处的钟所受的引力比高处的更大,这是因为前者离地更近。这样一来,两面镜子间,低处的比高处的光束路径更加弯曲。因此,低处的钟发出的“嘀嗒”声间隔时间更长。综上,低处的钟走得比高处的钟慢。换个说法,时间在强引力中走得更慢。

  

  以上举例中,用的是广义上的钟表。如果引力对这个钟有影响,那么它对其他所有钟表都有相同效果。结论也会始终不变:引力会减慢时间。

  说到这里,你可能会觉得这个知识点过于生僻,简直对日常生活毫无用处。这你就大错特错了。卫星导航和智能手机必须借助全球定位系统卫星来定位你的位置。全球定位系统卫星上都安装着时钟,沿着狭长的轨道绕地球运行。

  当人造卫星移动到离地球更近的轨道上时,受到的引力更强,因此它们自带的钟也会慢下来。如果你使用的电子设备不能自动补偿这种时间差,卫星就不能准确地定位你的实时位置。

  事实上,我们大多数人的日常生活都不可避免地践行着爱因斯坦的广义相对论。假使相对论是错误的,那么全球定位系统给出的数据,每一天都会产生大约50米的误差。但全球定位系统应用10多年来,误差始终保持在5米以内。这也证明了广义相对论的正确性。

  引力小的地方,时间减慢程度小;引力大的地方,时间减慢程度大。就目前所知,引力最大的地方是黑洞。它是大质量恒星在生命末期时疯狂坍缩形成的无底深渊。

  如果你能去一趟黑洞游玩,在它视界(光和物质进入黑洞内的单向膜,自此任何光或物质都将被黑洞捕获无法逃脱)外侧徘徊,你的时间相对于宇宙其他地方将慢到极致。如果你往外看去,你将看见整个未来,像电影快进那样在你眼前闪现!

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