为什么说引力可以让时间变慢?
这个根本原因应该从广义相对论的角度来解释——因为引力的本质是时空的扭曲。
是怎么样一种扭曲?
首先,必须说不是下面这种。
网上不少科普文使用上面这种图示来示意引力造成的弯曲其实是一种误导。
引力造成的扭曲应该是这样的:
从上面的示意当中可以看出来,引力造成的时空扭曲实际上是时空的密度的变化——在地球周围时空变得更密了。如果让天体动起来就是下面这种状况。
所以,实际上引力是时空的密度变化所致——不仅是空间变密了,时间也变密了。可以用时空的网格来描述这种疏密变化的度。这些网格会随着引力而连续改变(不会断片),并且网格会向天体的质心扭曲。
时间为什么会变慢?
个人提出两种解释的途径(这只是简单的逻辑推测,并未经实验证实,请读者注意):
从时空网格密度的角度来解释
我们假设一个只有地球的时空来说明这个问题,这样情况会单纯一点:
前面已经解说了,在靠近地球的地方网格更密,我们可以认为物体(比如一个人)的度量的尺寸不会因为时空网格的变密而变小,于是等效于时空网格通过物体的量更多了(因为网格更密),因此在大质量的地球附近通过物体的时空网格更多——这意味着通过的时间也更多了。而远离地球的物体,其度量尺寸没有变,但所处位置的时空网格更稀疏,因此通过的空间和时间的量都更少。
如此相对于靠近地球的物体来说,远离地球的物体以自己的尺寸来度量时间和空间的流逝量的时候,实际上就要少一些。通俗点说就是,靠近地球的物体以自己所认为的速度匀速运动1秒钟(或者移动1米),对于远离地球物体来说实际上是需要大于1秒(或者移动时大于1米)才能实现的。再换个角度说就是地球附近的1米在远处实际上是大于1米的。因为整个时空的网格(术语叫“度规”)在质量附近“浓缩”了。
上图:对于在引力场当中的不同位置的人,虽然她感觉自己的尺寸没有改变,但处于这些不同密度的时空当中运动时,相对的时空流逝量是不同的,在密度高的时空里面做同样运动的耗时要相对比在稀疏的时空要少一些。注意那个女孩脚下的波形,光在不同密度的时空下不会改变传播速度,但是会改变波长。时空稀疏了,光波就被拉长了。所以光的红移或者蓝移可以度量时空被拉伸变得稀疏或者压实变得紧密。
这种“浓缩”效应也是引力透镜(光的传播路径被向质心挤压)和光的引力红移(光在时空的梯度中逆向传播)的原因——实际上光就是很好的度量时空网格的一种东西,光的运动就是沿着时空的网格线在运动。如果遇到黑洞,那么光也会向其内部运动,这意味着时空的网格也向黑洞内部延伸(而且是无限延伸)。
从等效性的角度来解释
爱因斯坦的“强等效原理”认为:引力与加速度等效,或者说没有证据证明他们不等效(实际上这是惯性质量与引力质量等效性的推论)。那么我们就可以把引力认为是一种加速运动,从而认为时空在加速向物体的质心内塌陷。如此一来就好解释时间变慢的问题了。
上图:引力质量与惯性质量“神秘地”等效。实际上可以解读为时空在以重力加速度向内蹋缩运动(黑洞不就是这种情况的极端吗?)。
我们还是拿上面的“孤独地球”场景来做描述,方便理解:
根据强等效性原理,前述情况相当于靠近地球的物体的加速度要大于远离地球的物体的加速度,那么实际上这两个物体之间必然存在着等效的速度差,也就是说或它们之间的时空距离等效于会不断增加,那么它们之间就存在一个等效的相对速度。这里就可以再利用狭义相对论的结论,如果两个物体存在相对速度,那么它们之间就会有时间流逝速度的差异,并且这个时间膨胀的量符合洛伦兹变换所得出的差值。显然那个靠近地球的物体的等效相对速度是大于那个远离地球的物体的,因此根据狭义相对论的等效性原理,远离地球的物体会观察到靠近地球的物体的时间流失更慢。
如此,通过把广义相对论的结论转换到狭义相对论的体系下,利用被“默认”的引力与加速度等效性也可以解释引力导致时间变慢的原理。
总结
我们首先解释了通常对时空扭曲的一种误解,然后基于正确的理解,我们可以有两种方式来解释引力导致时间变慢的原理。