根據相對論,飛機上的時間流逝比地面慢?坐飛機可以延緩衰老嗎

天空之城 2021/02/13 檢舉 我要評論
 

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1905年,愛因斯坦提出了4篇具有開創性的論文,在這四篇論文中,最後兩篇尤其顛覆三觀,後來被合稱為: 狹義相對論

愛因斯坦在提出狹義相對論時,並沒有像很多人想像中的那樣一炮而紅,實際上沒有引起什麼波瀾。因為這個理論實在是太過顛覆,以至於當時的很多物理學家都表示看不懂。甚至連量子力學的奠基人普朗克看到愛因斯坦的論文時,他首先是覺得愛因斯坦是一個人才,但是他也並沒有能夠接受這樣顛覆三觀的理論。

所以,直到廣義相對論被驗證之後,愛因斯坦才在全世界乃至整個學術圈名聲大噪。那麼問題來了,狹義相對論為什麼這麼顛覆呢?

我們就列舉一點, 狹義相對論告訴我們高速運動的物體相對於低速運動的物體,時間會發生膨脹,也就是說,時間流逝的速率會變慢,我們一般將這種情況稱之為: 鐘慢效應或者 時間膨脹效應

這其實和我們日常生活中的直接是不同的,比如,一個人跑起來後,就比沒有跑步的人時間流逝更慢嗎?如果是,我們應該可以感受到,可事實上,我們並沒有感受到,因此狹義相對論是很反直覺的。所以,一開始並沒有什麼人願意承認愛因斯坦的狹義相對論是正確的。

相對論的鐵證:2組銫原子鐘

後來我們也知道,狹義相對論乃至廣義相對論都已經成為了現代物理學的支柱,也被驗證是正確的。那麼問題到底出在了哪裡?狹義相對論又是如何被證明是對的呢?

人類日常生活所接觸的是宏觀低速的世界,在這個世界當中,牛頓力學是和感官、直覺很匹配的,因此我們才會覺得牛頓力學是無比的正確。而狹義相對論描述的是高速狀態的情況,這個高速指的是達到了接近於光速的速度,光速可是3*10^8m/s,這個速度一秒鐘可以繞地球赤道7.5圈,是完全脫離我們直覺的速度。我們實際上是無法判定在這樣高速的情況下到底會發生什麼,這個時候相對論就可以被用上。

一個人跑得即便是再快,他相對於靜止的人而言,速度也不過超過50m/s,這個速度遠遠低於光速,依然是在宏觀低速下,這時確實存在著「時間流逝慢」,這不過這個「慢」是相當的慢,在小數點後10多位才能體現出來,因此我們拿表是根本測不出來這差異來的。

因此,如果要證明相對論是正確的,那麼只能用精確度非常高的鐘錶。二戰之後,人類第一個銫原子鐘被製造出來。銫原子鐘的原理是依靠著銫原子的振動,基態的銫-133原子在超精細能級之間的躍迀一次的週期是1/9192631770秒。

到了1954年,科學家紮卡來亞斯讓原子鐘變成可以商用的原子鐘。到了1967年,由於銫原子鐘足夠精確,所以科學家甚至用銫原子鐘來定義時間「秒」,也就是9,192,631,770個銫原子振動的週期就對應1秒鐘。

銫原子鐘擁有極其高的精度,幾百萬年,幾千萬年,甚至是上億年的誤差都不會超過「一秒」,是人類發明的最精准的鐘錶。有了銫原子鐘,科學家就尋思用它來驗證狹義相對論是否正確。

1970年,科學家把4組銫原子鐘調試好比並且進行校準,其中一組銫原子鐘留在地球上,另外一組安放在一架飛機上,然後讓飛機繞著地球航行,這樣持續一周,最後對兩組銫原子鐘的速度情況統計,由於引力場也會影響到時間的流逝。於是,科學家也把引力場的影響也進行了計算,並且在結果中刨去了引力場的影響。

結果,通過狹義相對論的理論計算得到的是 飛機上的鐘應該變慢184納米(正負23納米),納米是10^(-9)秒,而實際上測到的結果是慢了203納秒(正負10納米),可以說理論和實驗的結果是在正常誤差的范圍以內的,這也證明了狹義相對論的理論是正確的,也就是說 在高速飛行的飛機上,時間流逝得就是要比地面上慢,只是飛一周才慢200納米左右。因此,高速運動的物體確實相對於低速運動的物體,時間流逝更慢一些,所以多坐飛機不會返老還童,只是時間會流逝地更慢而已。

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