比天上一天地下一年更厲害,《星際穿越》中一小時等於地球七年

前些天,科幻大作《星際穿越》又再次重映,雖然是2014年的片子,但不論是劇情還是特效,放到現在依舊是一等一的,電影中有許多震撼人心的情節,其中最能體現愛因斯坦相對論的我想一定是米勒星球一小時相當於地球七年。

可能很多朋友在看到這樣的場景後,第一反應就是西遊記裡的“天上一天,地下一年”,然而西遊記畢竟是神話傳說,而電影中關於米勒星球與地球時間差異的解釋利用的是愛因斯坦的廣義相對論,我想大家一定對這個充滿了好奇,因此接下來我們就對此做一些介紹。

首先我們需要糾正一個觀念——“時間是均勻流逝的”

舉個例子,小明和小剛要去參加一場會議,然而他們各自離會場的距離是不一樣的,比如小明在本市,小剛在外市,可事先又約定好要同一時刻出發去會場(也就是出發時,各自手錶所指時間相同),而為了準時抵達會場,小明打算步行去會場,而小剛則乘坐高鐵,試問二人抵達會場後,各自的手錶時間是否一致?

一般來講,這個問題簡直不要太簡單了,手錶時間肯定是一樣啊,時間又不會變,難道會出現一個走時慢,一個走時快嗎?

比天上一天地下一年更厲害,《星際穿越》中一小時等於地球七年

我想剛才上面這段話估計是代表了大部分人的想法,其本質則是體現了“時間均勻流逝”的觀念,其實我們常說的牛頓時空觀也是這樣認為的。然而這個看似非常正確的觀念在相對論中被打破了,時間不再是均勻流逝了,每一個物體所在時空中的不同狀態都會影響各自時間的流逝程度。

還是剛才的例子,按照狹義相對論來說,因為小剛乘坐了高鐵,而小明是步行,在速度上,小明明顯要慢於小剛,正是因為如此,小剛的手錶走時就要比小明的手錶走時慢,也就是所謂的“速度越快,時間越慢”,當小明抵達會場時,比方說手錶正好顯示八點鐘,而小剛的手錶卻顯示為七時五九點九分(按照高鐵的實際速度來講,可能小剛的手錶的走時與小明的差異應該是肉眼不可見的,但此處為了體現出時間差異,故意放大了差距)。

藉由這個例子我們可以看出,速度對時間是有影響的,然而當我們考慮星際穿越中米勒星球與地球的時間差異時,就應當主要考慮引力對時間的影響了,這正是屬於廣義相對論的內容。如果詳細講解的話,並不是適宜科普文,但幸運的是,我們仍舊可以按照剛才的思路去介紹引力對時間的影響。

比天上一天地下一年更厲害,《星際穿越》中一小時等於地球七年

在狹義相對論中,速度越快的物體,其自身時間就會走的越慢,那麼在廣義相對論中,如果一個物體所受引力越強,那麼其自身時間就比受引力弱的物體慢,更加簡單的表述可以這樣說,如果一個物體所受重力加速度越大,那麼它自身的時間就走的越慢。比方說,在一棟高樓的底層和頂層,各放置一個事先校對好的鐘表,那麼各自在不同高度執行一段時間後,你會發現放在頂層的鐘表時間要比底層的快。

比天上一天地下一年更厲害,《星際穿越》中一小時等於地球七年

對應於米勒星球和地球,由於米勒星球非常靠近一顆黑洞,而地球則距離黑洞很遠,因此米勒星球受黑洞引力作用要明顯強於地球,所以米勒星球上的時間流逝就要慢於地球,於是就有了“米勒星球一小時等於地球七年”的結論。

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