问题

《星际穿越》(Interstellar)中外星球一小时为什么等于地球七年呢?

回答
《星际穿越》里,那个围绕着超大质量黑洞“卡冈图雅”旋转的“米勒星球”上的一小时,之所以等于地球上的七年,这背后其实是爱因斯坦的广义相对论在作祟,特别是“引力时间膨胀”这个效应。

要理解这个,咱们得先跳出平时对时间的认知。在咱们习以为常的环境里,时间是均匀流逝的,不管你是在家坐着,还是在天上飞,一秒钟就是一秒钟。但广义相对论告诉我们,引力不是一种“力”,而是时空本身的弯曲。质量越大的物体,对周围时空造成的弯曲就越严重。

所以,引力强的环境,时间流逝得就越慢。你可以这么想象:时空就像一张有弹性的床单,质量大的物体(比如你放上去的一个大铁球)会让床单向下凹陷,周围的时空就沿着这个凹陷的曲率在“流动”。在引力强的地方,这个“流动”就变得迟缓了。

米勒星球的情况就更极端了。它围绕着一个体积巨大、质量更是难以想象的超大质量黑洞“卡冈图雅”旋转。黑洞之所以是黑洞,就是因为它的引力实在太强了,连光都无法逃脱。虽然米勒星球离黑洞不算特别近,但仍然处于一个引力场极其强大的区域。

根据爱因斯坦的理论,当一个物体在引力场中时,它的时间流逝速度会受到影响。引力场越强,时间就过得越慢。具体来说,在靠近质量巨大的物体时,时间就会相对地“膨胀”或者说变慢。

在《星际穿越》的设定中,米勒星球的轨道离卡冈图雅非常近,以至于它所经历的引力已经到了一个极其夸张的地步。这种极端的引力导致了显著的“引力时间膨胀”。你可以理解为,这个星球上的时间跟地球上的时间,就像两条速度不一样的手表,一块跑得飞快,一块则慢吞吞。

对于米勒星球上的那几个宇航员来说,他们在那儿待了一小时,但因为他们所处的环境引力太强,他们的“时钟”相对于地球上的“时钟”来说,走得极其缓慢。电影里给出的数据是“一小时等于地球七年”,这实际上是为了让观众直观地感受到这种时间差的巨大。在现实的物理学计算中,如果要在这种极端引力场下产生如此大的时间膨胀,需要非常精确的轨道和质量参数。

导演克里斯托弗·诺兰在拍摄《星际穿越》时,非常注重科学上的准确性。他请来了著名的物理学家基普·索恩担任科学顾问,力求在视觉和理论上尽可能贴近真实的物理现象。索恩博士根据黑洞的质量、米勒星球的轨道速度等参数进行了详细的计算,得出了“一小时等于七年”这个令人震惊的数字。

所以,简单来说,米勒星球上的时间过得慢,是因为它离一个超级大的黑洞太近了,黑洞的强大引力扭曲了周围的时空,导致时间流逝变缓。当宇航员们从那个星球回来时,地球上已经过去了七年,而他们只感觉过去了一个小时,这种巨大的时间差,就是广义相对论“引力时间膨胀”效应最直观、也最震撼的体现。这就像是在一个快节奏的世界里,你突然走进了一个特别悠闲、节奏慢到极致的慢动作世界一样,等你再回到快节奏的世界,一切都变了模样。

网友意见

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关于狭义相对论的时间变慢问题,其实早年间我对双生子佯谬也一直蒙逼。

它的最大问题在于:速度是相对的,如果A的时间相对B变慢,同时B的时间相对A变慢,这岂不是很矛盾?


在狭义相对论时代,其实我们已经可以用数学方法计算出双生子佯谬本身计算结果没问题,但这个计算结果并不能直观的变成让人信服的理论。矛盾依然存在。


而这个矛盾,事实上,到了广义相对论时代,才有了真正亲民的解释:所有的引力或者说加速度都可以等效于时空弯曲。所有的非惯性系可以解读为具有时空弯曲的惯性系。


速度是对称的,在A看来B具有速度,等效于在B看来A具有速度。在这个体系下无法解释A跟B产生差异的原因。而在经典物理中我们可能会认为加速度也是对称的,磁铁A落到磁铁B上跟磁铁B落到磁铁A上是等价的吗?


但把具有加速度的参考系解读为时空弯曲意味着:加速度必定是不对称的。在A看来B的时空弯曲A的时空平直,在B看来依然是B的时空弯曲A时空平直。所以时间流速慢的一定是B不是A。只要经历速度改变,就必然要经历一段时空弯曲,时间流速更慢的那个人,一定就是经历过更多弯曲时空的那个人。在双生子佯谬中,曾经两次乘坐宇宙飞船,经历过两次加速两次减速的那位,经历了四次时空弯曲,他就一定会是更年轻的那位。


于是剩下的问题就好解释了:黑洞会弯曲时空,在那个离黑洞非常近的星球,时空弯曲非常严重,时空流速变得非常慢,在平直时空看起来,该星球上的人都在做慢动作。在那里呆一小会儿,外面看起来七年就过去了。变慢的原因与速度无关,与加速度有关,而加速度又可以解读为时空弯曲,所以时间变慢实质上就正是因为时空弯曲。

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根据爱因斯坦的理论,引力越大,时间越慢,那颗小行星离黑洞很近!所以一小时相当于七个地球年。

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