時間膨脹（time dilation）。狹義相對論預言 - 中文百科知識

時間膨脹（time dilation）。

狹義相對論預言，運動時鐘的“指針”行走的速率比時鐘靜止時的速率慢，這就是時鐘變慢或時間膨脹，又稱鐘慢效應，是相對論性效應之一。

時間膨脹 時間膨脹（timedilation）。

狹義相對論預言，運動時鐘的“指針”行走的速率比時鐘靜止時的速率慢，這就是時鐘變慢或時間膨脹，又稱鐘慢效應，是相對論性效應之一。

時間膨脹表明了時間的相對性。

基本信息中文名：時間膨脹英文名：timedilation別稱：鐘慢效應適用學科：狹義相對論理論概述I·牛頓曾經提出“絕對時間”的概念，但是牛頓時空理論中的時間沒有辦法在現實世界中實現。

愛因斯坦從考察兩個在空間上分隔開的事件的“同時性”入手，否定了沒有經驗根據的“同時性”的絕對性及其有關的絕對時間概念。

為使用光信號對鍾，愛因斯坦假定了單向光速是個常數且與光源的運動無關，並根據其相對性原理，從新的時空理論出發，建立了狹義相對論。

狹義相對論預言了時間膨脹相對論性效應，已經獲得大量實驗的直接證明。

現今世界上最具權威的美國《科學》雜誌，其中一篇文章指出，宇宙膨脹不是光的都卜勒效應，是時空本身的膨脹，而實際天文觀測證實的，包括哈勃紅移在內，都是時間膨脹的結果，其它都是圍繞時間的膨脹展開的理論分析和推測。

牛頓的絕對時空，從其信號傳播具有無限大速度的假設，可知其在每一刻，都對應整個宇宙的某一狀態。

空間的三維始終對應時間的一維，即空間三維和時間一維一一對應。

這種時空的同時性並不是沒有物理實質，如產生了量子糾纏的量子所具有的同時性。

愛因斯坦的時空稱相對時空，它以觀察者為核心，強調可觀察，以光速為極限，將過去和現在聯繫在一起，稱為四維時空。

時間的膨脹是觀察者觀察的結果，是四維時空的產物，時間的測量依賴於觀察者所處的參考系。

效應公式狹義相對論的時間膨脹公式為：為觀察者的時間變化，v為光源相對於觀察者的遠離速度，c為真空光速。

的是觀察者觀察到的光源在內的時間變化量。

時鐘佯謬時間膨脹時間膨脹效應表明，運動時，鐘的速率將變慢。

由於慣性系之間沒有哪一個更特殊，對於K和K'這兩個彼此作相對運動的慣性系來說，哪一個在運動，這完全是相對的。

因而，似乎出現了這樣一個問題：K系中的觀察者認為K'系中的時鐘變慢了，而K'系中的觀察者又會認為K系中的時鐘變慢了，即兩個觀察者得到的是互相矛盾的結論。

這就是所謂的“時鐘佯謬”問題。

在解釋這種佯謬時候，為了突出問題的實質，可以這樣來比較兩隻鍾，一隻鍾固定在一個慣性系中，另一隻鍾則相對於這個慣性系作往返航行。

通過研究在往返航行的鐘回來的時候，它的指針所顯示的經歷時間（也就是這個鐘所經歷的固有時間間隔）和固定鐘的指針所顯示的經歷時間（也就是固定鍾所經歷的固有時間間隔）相比，到底哪一個更長。

可以發現，不能簡單地套用前面寫出的那個洛倫茲變換，因為往返航行的鐘並不是始終靜止於同一個慣性系之中，而是先靜止在一個慣性系（向遠處飛去），後來又經歷加速（或減速）轉而靜止在另一個慣性系（遠處歸來），而另外那一隻鍾則始終靜止在一個慣性系中。

由此可見，往返航行的鐘和靜止的鐘的地位並不是等價的。

其深層原因是兩隻時鐘在閔可夫斯基時空圖中的世界線是不相同的，這就反駁了“時鐘佯謬”。

具體地說，哪一隻鍾走得更慢一些，有人認為，要解決這個問題，必須套用廣義相對論，因為有加速或減速過程。

但是，實際上這個問題可以在狹義相對論範圍內圓滿解決。

如果加速過程對時鐘速率不產生影響（實驗證明加速或減速過程對時鐘的速率沒有影響），考慮到作往返運動的時鐘經歷了不同的慣性系，因而還必須考慮到不同地點的同時性問題，那么，不論在哪個慣性系中計算，狹義相對論都給出同樣的結果，即往返航行的時鐘變慢了。

都卜勒效應時鐘變慢直接導致相對論性的都卜勒效應（都卜勒頻移）。

當光源同觀察者之間有相對運動時，觀察者測到的光波頻率將同光源靜止時的光頻有差別，這種差別稱為都卜勒頻移。

經典理論也預言了都卜勒頻移，但狹義相對論的預言同經典理論的預言不同。

兩種預言之間的差別是由運動時鐘的速率不同於靜止時鐘的速率造成的，也就是時鐘變慢效應造成的。

光線的頻率和傳播的方向在洛倫茲變換下分別按如下公式變換：ν'=(1－v·cosθ/c)(1－v2/c2)1/2cosθ'=(cosθ－v/c)(1－v·cosθ/c)式中ν和ν'分別為在K系和K'系中測得的光波頻率，θ和θ'為光線的傳播方向分別與x軸和x'軸的正方向之間的夾角。

當θ=90°（即垂直於光線方向）時，ν'=v/(1－v2/c2)1/2這就是橫向都卜勒效應（牛頓經典物理學沒有這種效應）。

橫向（或二階）都卜勒效應實際上來自時間膨脹效應，它們已被很多實驗直接證實。

實驗根據愛因斯坦1905年提出的狹義相對論，處於快速運動狀態的表，與構造完全相同、指針在動但表殼本身卻處於靜止狀態的表相比，快動表的指針轉動得慢，也就是時間流逝得慢，專業說法是“時間膨脹”效應。

對外行人來說，這恐怕是愛因斯坦就時間和空間概念的理論革命所結出的最奇異的一朵花。

一分鐘的長度和表的運動速度有關，這和我們的直覺相違，也不符合我們的日常經驗。

儘管如此，時間膨脹效應確實存在。

1971年飛機攜帶原子表的實驗就提供了證據。

德國物理學家希望了解得更深。

現在，他們測到了精度在小數點後10位的時間膨脹效應。

德國馬普協會下屬的核物理研究所坐落在美麗的城市海德堡附近，其核心設備是一台粒子加速器，它占據的空間足有一個飛機庫那么大。

在那無數變壓器和真空泵的轟轟噪音下，薩特霍夫要想表達清楚並非易事。

他對德國之聲記者說：“我們的實驗是從這兒開始的。

這裡你看到的是法拉第籠，裡面是一個離子源。

”這位物理學博士指著一個香腸形狀的桔黃色容器，大小像一輛載重卡車。

容器里，帶電的鋰原子，也就是所謂的離子，在高壓作用下加速到每秒1.9萬公里的速度，相當於光速的6%，足夠在兩秒鐘內環繞地球一周。

薩特霍夫和他的同事需要這些粒子旅行，為的是測驗愛因斯坦的理論是否正確。

根據愛因斯坦1905年提出的狹義相對論，快速飛行的離子的內部時鐘應當比薩特霍夫手腕上戴的表要走得慢。

薩特霍夫介紹說：“按照愛因斯坦的理論，應當慢差不多1.002倍，也就是說慢千分之二。

人們這個實驗的創新之處就在於，利用雷射譜儀把1.002這個係數精確地測到其小數點後的第10位。

”鋰離子的旅行將在旁邊的大廳告終。

那裡，強烈的磁場迫使它們沿著一個圓形軌道飛行。

薩特霍夫說：“我們在這裡看到的是儲存環。

離子是從這個出口離開加速器，進入儲存環的。

你在這裡到處都可以看到四極的或兩極的強磁鐵。

”所謂的儲存環是一個55米長、盤成圓環狀的鋁管，裡面是真空，離子就在管子裡急速飛行。

無數的線圈、電纜等其它電氣元件幾乎完全遮擋了這個儲存環。

離子在裡面每秒鐘可以轉330圈。

薩特霍夫介紹說：“這些粒子本身就是鐘錶，因為粒子會振動。

幾乎每一個表都是以振動系統為基礎的。

比如說帶鐘擺的表，就是鐘擺在振動。

石英表是石英晶體在振動。

原子也會振動，準確地說是原子裡的電子會振動。

電子振動的頻率遠比石英高得多，所以利用電子或者說原子測量時間的精度，就遠比用石英晶體高得多。

”為了讀原子表的秒針，物理學家們利用的是雷射束。

他們用雷射對快速飛過的鋰粒子外層的電子云激發一定頻率的振動。

此時離子會發出螢光，這束螢光就包含著離子內部鐘錶的行走時間。

薩特霍夫介紹說：“我們現在是在地下室。

這兒是供電器。

這裡的是我們的雷射房。

這個雷射房其實就是我們在地下室里簡單搭出來的一個小空間，因為直接在儲存環旁邊放雷射設備不合適。

儲存環周圍的環境條件對雷射來說很惡劣，磁場雜散，還有亂糟糟的電磁波，也就是電子菸霧，都會影響雷射發生器的穩定性。

所以我們在地下室造了一個雷射房，在這兒生成雷射，然後通過光纖傳送到儲存環那裡。

”在黑色的塑膠帘子後面陰暗的燈光下，有一張桌球台大小的桌子，上面擺著三台雷射發生器，還有一大堆的透鏡和反射鏡。

科研人員花費了三年的心血，設計、建造和調試這套極其精確、用於測驗愛因斯坦相對論的光學系統。

薩特霍夫說：“我們在這裡可是幹了不少時間，有時甚至是通宵達旦。

但在實驗項目的開始階段，方案還不明確的時候，我們可沒有得到很大樂趣。

但當我們琢磨出應當怎樣下手時，情況就大有好轉。

”如今，薩特霍夫及其同事已經以小數點後10位的精度，實驗證實了愛因斯坦的時間膨脹理論，遠比以往任何有關實驗精確得多。

但是對科學家們來說，這個精度還是不夠好，因此，他們已經計畫在德國達姆施塔特的重離子研究協會再進行一系列的實驗。

那裡的加速器功率大，可以把鋰離子的速度加速到光速的33%。

根據愛因斯坦的理論推算，那時，離子內部時鐘的1秒鐘，將會比薩特霍夫手錶上的1秒鐘長出60毫秒。

套用時間膨脹是相對論效應的一個特別引人注意的例證，它是首先在宇宙射線中觀測到的。

我們注意到，在相對論中，空間和時間的尺度隨著觀察者速度的改變而改變。

例如，假定我們測量正向著我們運動的一隻時鐘所表明的時間，我們就會發現它要比另一隻同我們相對靜止的正常走時的時鐘走得慢些。

另一方面，假定我們也以這隻運動時鐘的速度和它一同運動，它的走時又回到十分正常。

我們不會見到普通時鐘以光速向我們飛來，但是放射性衰變就像時鐘，這是因為放射性物質包含著一個完全確定的時間標尺，也就是它的半衰期。

當我們對向我們飛來的宇宙射線M作測量時，發現它的半衰期要比在實驗室中測出的22微秒長很多。

在這個意義上，從我們觀察者的觀點來看，M內部的時鐘確實是走得慢些。

時間進程拉長了，就是說時間膨脹了。

在平常的生活中看不出空間和時間的畸變。

因為我們不涉及已接近光速運動的事物。

事實上，相對論現象的特性由物體速度與光速平方之比這樣一個比率來決定。

當所研究的物體的運動速度超過光速的十分之一時，這個比率才變得重要，因為此時該比率增大到百分之一以上。

這樣的高速領域幾乎只局限在高能物理學家們的經驗中。

由於我們通常不會涉及這樣高的速度，所以狹義相對論的許多結論都使我們感到驚奇。

實際上，這些結論確實有些複雜，但早已證實了狹義相對論的完美，並且在處理低速運動時又幾乎嚴格地與我們所熟悉的物理規律一致。

時間膨脹對於未來的宇宙探索，旅行等都有巨大的作用。

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