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引力时间膨胀

1915
  • Albert Einstein
实验室中的原子钟校准,展示引力时间膨胀原理。

广义相对论的一个关键预测是,在不同的引力势下,时间流逝的速率不同。在强引力场(靠近大质量物体)中,时钟的走时会比在弱引力场中慢。这种效应被称为引力时间膨胀,已得到实验验证,并且是GPS等现代技术的关键因素。

引力时间膨胀源于时间流逝速度受时空曲率影响的原理。在引力较强的区域,时间本身的 "流动 "相对于引力较弱的区域要慢一些。这不是对时钟的机械影响,而是时间流逝的实际差异。例如,海平面上的时钟比山上的相同时钟运行得稍慢。对于一个不旋转的球面对称质量,这种效应的公式是 [latex]t_f = t_0 \sqrt{1 - \frac{2GM}{rc^2}}[/latex] ,其中 [latex]t_f[/latex] 是远处观察者的时间,[latex]t_0[/latex] 是引力场中的时间。

1959 年的庞德-雷布卡实验首次在实验中证实了这种效应,该实验测量了光子的引力红移(一种相关现象)。最重要的实际应用是全球定位系统(GPS)。与地球表面的时钟相比,GPS 卫星上的原子钟所处的引力场更弱,因此它们的运行速度每天快约 45 微秒。由于速度较快,它们还经历了狭义相对论时间膨胀,使它们每天运行慢了约 7 微秒。最终结果是,GPS 卫星时钟每天快走约 38 微秒。如果不对此进行校正,GPS 导航误差将以每天约 10 公里的速度累积,从而使该系统失去作用。

UNESCO Nomenclature: 2211
- 相对论

类型

抽象系统

中断

实质性

使用方法

广泛使用

前体

  • 狭义相对论及其因速度引起的时间膨胀概念
  • 等效原理
  • 闵可夫斯基时空

应用

  • 全球定位系统 (GPS) 卫星需要对特殊和广义相对论时间膨胀进行修正才能准确运行
  • 使用原子钟进行精确计时
  • 了解黑洞和中子星的物理原理
  • 引力红移的天文观测

专利:

NA

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