爱因斯坦曾在1905年至1915年间发表两篇论文,阐述空间、时间、质量与能量之间的关系,这就是著名的广义相对论和狭义相对论。简而言之,他的理论认为:物体运动速度越快,时间流逝越慢;距离地球越近,引力越强,时间也越慢。这些预言听起来匪夷所思,但在1971年,两位物理学家用商业航班和原子钟,实实在在地证明了爱因斯坦是对的。 约瑟夫·C·哈费尔(Joseph C. Hafele)和天文学家理查德·E·基廷(Richard E. Keating)设计了一个简单却大胆的实验。他们搭乘普通商业客机,分别向东和向西绕地球飞行一圈,利用飞机在长距离飞行中的速度,来检验时间是否会像爱因斯坦预言的那样变慢或变快。实验结束后,结果与爱因斯坦的理论完全吻合。 为了精确测量时间,普通钟表远远不够,必须使用原子钟。哈费尔和基廷带了四台原子钟上飞机,同时将另一台原子钟留在美国海军天文台作为对照组。飞行的四台原子钟读数,将与静止不动的对照组原子钟进行比较。 实验结果令人惊叹:向东飞行时,原子钟预计会损失约40纳秒(误差±23纳秒);向西飞行时,则预计会增加约275纳秒(误差±21纳秒)。这个结果初看有点反直觉,因为两趟航班的飞机相对于地面的速度差不多。但关键在于,时间的变化取决于相对于空间的运动速度,而非相对于地面的速度。由于地球本身以约每小时1040英里的速度自转,向东飞行的飞机叠加了地球自转速度,而向西飞行则部分抵消了自转速度,因此产生了不对称的时间差。 最终,四台飞行原子钟与地面原子钟的读数差异,完全落在爱因斯坦理论的预测范围内。哈费尔和基廷的实验,用最直观的方式证明了:时间并非绝对均匀,它真的会随速度和引力场而改变。当年那些乘客或许不知道,自己乘坐的普通航班,已经在不知不觉中参与了一场验证物理学基石的科学实验。
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