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1700909596 他们把一个留在地面,放在机场候机厅里,给另两台钟在两个航班上各订了一个座位。
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1700909598 想象一下飞机上其他乘客看到这一情景的反应就让我忍俊不禁……
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1700909600 不管怎么说,那两架飞机起飞了,一架向东飞,另一架向西,各绕地球一圈,最后回到它们出发的机场,三台原子钟表再次会合。因为地球本身向东自转,因此向东与向西飞的飞机在相对于机场的整体速度上有一点点差异。
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1700909602 现在,如果大自然遵循我们的直觉运行,那么无论飞机怎么飞,三台原子钟应该依然保持同步,对于上帝放在自己床头柜上的宇宙标准钟表来说,一秒钟就是一秒钟,每一秒钟过去,那根秒针就移动一格。你见过或使用过的所有钟表,不管是不是机械的,显然都是这样的。就这么简单。然而……不对,不是这样的。大自然才不在乎我们的直觉,碰巧这个关于钟表与时间的直觉是错的。只是我们通常使用的钟表精度不够,没能显示出这种差别而已。我们的直觉是错的,而爱因斯坦却是正确的。
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1700909604 当飞机回到当初的机场时,哈夫勒和基廷发现他们的三台钟已不再同步。
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1700909606 向东飞行的飞机上的钟与放在机场的钟相比慢了十亿分之五十九秒,而往西飞的飞机上的钟表则快了十亿分之二百七十三秒。
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1700909608 如果这三台原子钟一直放在一起,需要超过三亿年才能自然地产生这样的误差。
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1700909610 哈夫勒和基廷认为,差异有着两个不同的来源。
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1700909612 一是速度,按照爱因斯坦所猜想的狭义相对论:三台原子钟之间的相对速度的确能够造成一些微小——但可测量——的时间膨胀效应。
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1700909614 而第二个来源与速度无关,而是引力,来自爱因斯坦的广义相对论:就像一个重球滚动在橡皮膜上,球近处的膜变形比远处的要显著,爱因斯坦认为,地球对于时空的影响在地球表面比在飞机飞行的高空更显著,这个高度差别也会造成两处时间流逝的差异。
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1700909616 这两种效应相互独立,哈夫勒和基廷在进行他们的实验之前就已算出结果。
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1700909618 将两者相加。
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1700909620 总而言之,爱因斯坦的理论预言与固定在地球表面的钟相比,往东飞的钟会慢十亿分之六十秒,而往西飞的钟应该快十亿分之二百七十五秒。
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1700909622 实验证实了他的预测。
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1700909626 上述时间差别或许听起来微不足道,的确如此,但要注意飞机并没有飞得很快,地球也不是一个太大的天体。飞得更快和/或离引力更强的物体更近时,时间差异会变得巨大,就像你在梦里经历的以接近光速飞行的飞机上所发生的事那样。
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1700909628 毋庸置疑,哈夫勒和基廷实验的精度自一九七一年起到现在已被不停提高,以越来越高的确定度证实了这一结论。时空的确意味着它所意味的含义:空间与时间的混合。
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1700909630 在我们的宇宙中,钟表的走动速度决定于谁在看:取决于你在哪里、你身边有什么(引力部分)以及你的速度。在二十世纪早期,这一切还非常抽象,在今天,它们已成为实验事实。我们不得不接受。
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1700909632 在这个我们的宇宙里,时间与距离不是普适的绝对概念。它们取决于观察者,取决于是谁在体验以及谁在观察。它们都是相对的,否则,光速就无法成为常数,也无法成为极限。
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1700909634 好了,那我们人类又该如何加以应对?它改变了我们的日常生活没有?那个完全取决于速度的部分的确如此,是的——而且改变了很多。不仅我们的技术常常利用各种快速运动的粒子的交换来传递信息,而且狭义相对论还帮助我们了解构成我们的物质是如何工作的。你很快就会看到,构成我们身体的原子里的电子——以及这个世界上其他许多极小的东西——都以相当快的速度运动。
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1700909636 关于引力或时空的部分,虽然听起来很奇妙,但至今为止,只有一种面对大众市场销售的设备用到了它:GPS,即全球定位系统。每次你利用GPS确定自己的位置时,不管是智能手机里的GPS还是车里的GPS,它们都考虑了地球周围空间与时间弯曲的效应。离地面越近,弯曲程度越大——不仅在空间上如此,在时间上也是如此。
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1700909638 天空里的卫星中有一个钟表,与你的GPS接收器通信以确定位置。如果不对地面与卫星上的时间不同进行修正的话,你的位置很快就会完全错误,以每天十公里的速度漂移。GPS会因此变得完全无用。GPS的成功应用得归功于爱因斯坦的狭义相对论与广义相对论。
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1700909642 好吧。真相就是如此,不存在一只钟表可以在宇宙各个地方以同样的方式走动。
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