一个至今仍无法解释的现象，让爱因斯坦发现了时间的秘密

人们曾经认为，时间的流逝速度是恒定的，无论何时何地，或者是处于哪种状态，时间都会以相同的速度流逝，然而爱因斯坦却提出了不同的观点。

他在相对论中指出，时间的流逝速度并非恒定不变，而是与你的速度和你所处的引力场强度密切相关，你的速度越快，或者你身处的引力场越强，时间就过得越慢。

在这个理论刚被提出的时候，科学界普遍对此持怀疑态度，但在过去的一百多年里，大量的实验结果，却表明了爱因斯坦是正确的。

时至今日，这个理论已经进入了实际应用阶段，一个经典的应用就是我们经常会使用到的全球定位系统。

要知道全球定位系统依赖于在太空中运行的卫星，根据相对论，由于卫星在轨道上的运动，会造成其时间的流逝速度变慢，而由于卫星处于高空，受到的地球引力比地面小，其时间则会流逝得更快。

因为综合计算下来，引力效应占了主导，所以太空中卫星的时间流逝速度其实比地面更快一点，虽然这个差异极其微小，但对于需要精确定位的系统来讲却不可忽略。

所以科学家们必须根据相对论对卫星上的时钟进行持续的时间校正，如果忽略这个校正，其定位结果每12小时就会累积约7米的偏差，也就无法做到精确定位了。

那么问题就来了，爱因斯坦是怎么知道这一切的呢？答案就是：一个至今仍无法解释的现象，让爱因斯坦发现了时间的秘密。

这种现象可以描述为：无论在何种惯性参照系中观察，光在真空中的传播速度都是一个常数，也就是每秒299792458米。

什么意思呢？我们可以将其简单地理解为，对于真空中的一束光来讲，无论你是处于静止状态，还是正在向着这束光运动，又或者是正在背着这束光运动，你测量到这束光的速度都是恒定的每秒299792458米。

可以看到，这种现象是极为反直觉的，然而这却是理论和实验得出的同一个结果，为什么会这样呢？很遗憾，对于这种现象，科学家至今仍无法解释清楚。

不过爱因斯坦并没有纠结于“为什么”，而是直接将其作为一条基本公设，即相对论中的“光速不变原理”。

根据这个原理，既然光速是绝对的，那么必定有其他东西是可变的，是什么呢？爱因斯坦给出的答案是：时间。

为方便理解，我们可以来做一个思想实验。假设有一种“光子钟”，它由两面互相的平行镜子组成，一个光子在两面镜子之间垂直上下反射，由于其每次反射的时间都是固定的，因此可以用来作为计时单位（如下图所示）。

现在我们取一个这样的“光子钟”，把它放在一艘飞船里，然后让这艘飞船飞起来，并相对于地面高速平移。

在这个场景中，如果在飞船里观测，那“光子钟”里的光子就只有垂直于镜面的运动轨迹（如下图所示）。

而如果在地面上观测，由于飞船在高速平移，因此这个“光子钟”里的光子除了上下垂直运动以外，还会多出一个平移的运动，所以其运动轨迹就不再垂直于镜面，而是变成了斜线（如下图所示）。

根据勾股定理可知，这种斜线的长度肯定会大于两面镜子的垂直距离，而这也就意味着，在同一个计时单位里，地面上的观测者观测到的光子，其运动距离会比飞船上的观测者所观测到的更长。

而根据“光速不变原理”，虽然光子的运动距离变长了，但在地面上的观测者看来，其速度仍然是不变的，并不会叠加飞船本身的速度。

据此我们不难推导出，这样的情况就会导致在同一个计时单位里，飞船里和地面上的观测者所经历的时间流逝速度不一样，具体来讲就是，在地面上的观测者看来，飞船里的时间流逝速度变慢了，并且飞船的速度越快，其时间流逝的速度就越慢。

那引力又是怎样影响时间的呢？为方便理解，我们可以再做一个思想实验，假设有一个人坐在一艘全封闭的飞船里，无法看到飞船外面的情况。

如果这艘飞船静止在地球表面，那么飞船里的人就会感受到一种向下的力，这种力其实就是我们习以为常的地球引力。

但如果这艘飞船是在太空中，并没有受到任何引力，而是正在以大约9.8米/平方秒的加速度（即地球的重力加速度）“向上”加速飞行，那么飞船里的人也会感受到一种“向下”的力，这种力就是“惯性力”（注：“惯性力”是一种虚拟力，其本质其实是物体惯性的一种表现）。

爱因斯坦指出，在上述两种场景中，如果这个人事先不知道外界情况，那他就无法区分自己感受到的是地球引力，还是飞船加速运动产生的“惯性力”，这就说明了，一个位于引力场中的参照系与一个具有加速度的参照系是等价的。

这就是相对论中的“等效原理”，根据这个原理我们就可以推导出，既然速度会影响时间流逝的速度，那引力同样也可以，并且引力越强的地方，时间流逝得就越慢。

好的，今天我们就先讲到这里，欢迎大家关注魅力科学君，我们下次再见。