月球上时间的流逝是否比地球上慢?

月球上时间的流逝是否比地球上慢?

姬明泰,剑桥大学应用物理

短答案:月球上时间的流逝比地球块。

首先,时间膨胀的影响是非常小的,一般情况下,我们是不可能发觉的,只有非常精准的仪器才可以测到。在相对论里主要有两个因素主导时间流逝的速度,也就是时间膨胀:(1)速度,(2)引力

时间流逝最快的是在无限远的无限空间里面,而时间最慢(停止)当然就是相反的极密极重的黑洞。地球上,我们近太空和月球上时间流逝的速度都是这两个极点之间的。

(1)先讨论一下速度。这个速度是说在空间里旅行的速度。我们都知道光的速度是常数。

我们先看张图。

这是有名的光子钟实验。首先,早在小学数学应该都学过:速度 = 路程 / 时间。而这里是有两片玻璃和光子组成的光子钟,所以光子(光的基本粒子)的速度是不变的。

如果光子钟在一辆车上,左右来回的动。还有两个人在观看这个光子钟:一个人在旁边不动点观看,一个人在车上观看。在车上观看的人会看到第一幅图,光子上下来回的旅程。而第二个人看到的是第二幅图,光子走着三角旅程。光子的三角旅程的路程很明显比上下的要长。回到:速度 = 路程 / 时间,光子的速度绝对是不变的,路程如果长了,那么时间也得边长,来保持速度的一致。

这里可以得到的结论就是,在车上的人,也就是在旅行速度快的人,时间慢。如果,我是说实施上如果可以达到的话,上面三角长度比上下长度多 2 倍的话,时间也就多两倍。也就是,在旁边不动的观看者的时间过去 2 小时,车上的人的时间只过去 1 小时。

结论(1):在空间里旅行的速度越快,时间流逝的速度越慢。在旅行速度靠近光速的时候,时间流逝的速度也就靠近停止。

(2)接下来就是引力对时间流逝的影响。

还是先看图吧。

时间和空间其实是不可分的东西,所以叫做时空。而时空就像图里面的场一样,如果有质量有引力的东西在里面,就像你在一个橡皮片上放了个球。离这个球近的时空,就会变形,膨胀。这就是时间膨胀。所以我们说在靠近极密,引力大到连光都逃不走的黑洞里,时间是停止的。而在没物质的太空里,时间流逝理论上很快。

题主有提到很要紧的一样东西:暗物质。因为有暗物质的存在,而且比物质要多的多,所以在太空里还是有万向的引力。我们通常只能测到相对的时间膨胀,基本上很非常难测到(最起码现在不可能)理论上无限远无限空间的时空的时间膨胀速度。我们知道理论上算的出来这个时间流逝的速度,当然相对地球时间流逝的速度。

结论(2):引力越大(跟质量直接有关),时间流逝的速度越慢。在引力极大的黑洞里,时间流逝的速度也就靠近停止。

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例:人造卫星和国际空间站。

我们可以百分百确定的说上面的两个结论是正确的,应为我们有很多的人造卫星和一个空间站在绕着地球转。它们钟的速度跟地球上钟的速度不一样,都是用复杂的相对论公式算出来的,来补偿任何的时间流逝差距。如果没有这个补给,卫星导航系统就不可能工作,地球上无数的飞机,船,汽车等等就都不能利用有着时间流逝差距的人造卫星。

在空间站里的宇航员长期生活在跟地球上时间流逝不一样的时空里。但是空间站里的时间流逝是快是慢呢?我们看一下上面两个结论。引力小了,所以时间流逝应该快了。但是速度快了,所以时间流逝应该慢了。在这里,因为空间站还是比较靠近地球的引力,它跟无限无引力的点相比之下,还是非常靠近地球的引力场里面。而它的速度要比地球上快很多。

所以在这个例子里引力影响不大,速度是主导因素。因此,在空间站里的人,他们时间流逝的速度比地球上慢。因此在太空员回到地球上的时候,他生活过的时间要比在地球上度过的时间短,感觉好像他来到了地球的未来。

现在在空间站里生活过最长时间的人是 Sergei Krikalev,多次任务加在一起共两年多的时间。他度过的两年要比地球上流逝的两年稍微短一点。因此,他也是目前人类历史上往未来时空旅行最远的人:0.02 秒。

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月球:

不好意思,终于回到月球来了。现在人造卫星和空间站里都有原子钟,可以记录零点零零零(反正好几个零)秒的时间。最起码都是纳秒。因此我们可以测量到和地球上时间流逝的不同速度。不过当年美国登月的时候,还没这些装备,最起码前面几个登月我知道绝对没有。后面有没有我不确定。苏联也有过无人登月,我不确定他们当时有没有原子钟。反正我是没看到有真正在月球上测量到的时间流逝速度,也就是时间膨胀度。或许有这数据,我不知道。不过现在我国的登月任务上,绝对有原子钟,或许已经准确的测量到了月球的时间膨胀度。

不过实际测量放一边,我们是可以理论上计算的。可能不会完全跟实际测量完全一样,不过大概数据是没问题的。很多人都有算过。大多的结论是月球跟空间站相反,速度相对上来说不快,引力为主导。而因为月球引力比地球小,就象上面的第二张图,它在时空里产生变形的引力场也比较小,所以时间流逝在月球上比较快。

总结论:也就是说,地球上过去 1 年,月球上已经过去 1 年多了(时间流逝更快)。当然,这个“多”就跟空间站的例子一样,就几分秒而已。