天文在线|时间膨胀：为什么重力能够使时间变慢？ 1905年的春天

1905年的春天，沉默寡言的爱因斯坦坐上了回家的电车，车站距离Zytglogge钟楼几英里远。当时的爱因斯坦只是一名专利技术员，他尽快完成了工作，利用闲暇时间探寻宇宙的真相。当人们嘲笑那些天马行空的想象是白日梦时，爱因斯坦，这位十足的天才提出了他的理论，我们将他的构思奉为思想实验。就是在那辆电车上，他的思想实验彻底革新了近代物理学。
看着眼前巨大的钟塔渐渐远去，爱因斯坦突发奇想，如果电车以秒速186000英里的速度行驶，钟楼的指针将会呈现完全静止的状态。同时他也清楚钟楼的指针将继续转动——时间也正常流逝。但对于爱因斯坦来说，时间变慢了。因此，他意识到行驶速度越快，时间流动速度就会越慢，但这是真的吗？
爱因斯坦面对的困境
爱因斯坦深受两大物理学家的影响。一位是爱因斯坦的偶像，发现了运动定律的牛顿；另一位是提出电磁理论麦克斯韦。但是这两种定理相互对立。麦克斯韦认为电磁波的速度是恒定的，就像光——速度高达186000英里/秒,他认为这是宇宙的基本事实。

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图解：没有什么物体的速度能够超越光速。（图片来自：Pexels）
牛顿的定理则指出速度总是相对的。一辆汽车的行驶速度是40英里/时，这是相对于静止的观察者的速度，但相对于同向行驶，速度为20英里/时的车辆来说，其速度只有20英里/时，若是相对行驶，其速度就是60英里/时。当应用于光速时，速度相对论与麦克斯韦的基础事实相悖，这给爱因斯坦出了个大难题。
然而，这一大难题促使爱因斯坦提出了物理学史上难以置信却又最具创新性的理论——兼顾这两大定律的理论，这听上去似乎也没多么令人震惊。为了探究这两者之间的矛盾，解释时间为什么变慢，爱因斯坦想到了一个精妙绝伦的思想实验，这绝对排在最佳思想实验行列中。他设想一个人站在车站站台，左右两边射下两道闪电，他恰好站在两道闪电中间，以他的视角可以观察到两束光线同时射下。

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但是，在火车上的人却看到了不同的一幕。火车正以光速行驶经过站台，根据牛顿运动定律，火车上的人会先看到距离火车更近的光线射下，然后才看到较远的光线。然而这两个人测量出的光速却不同。根据麦克斯韦的理论，忽略观察者的运动，光速是恒定的，那么在所谓的宇宙基本事实的前提下，这样的结果怎么可能会发生？
爱因斯坦对这一差异进行了补充说明，因为时间本身变慢了，所以光速还是保持不变。相对于站台上的人，火车上的人经过他时所经历的时间更慢一些。爱因斯坦称之为时间膨胀。
重力时间膨胀
爱因斯坦将这一原理命名为狭义相对论，称之为狭义是因为它主要解决速度恒定的问题。但在现实世界中，物体总是在加速或者减速，爱因斯坦需要考虑在加速的情况下，这一原理是否受用。为了概括并解释普遍现象，爱因斯坦发现了时间与重力之间的关系，并将这一新发现的重力原理命名为广义相对论。
牛顿认为时间如离了弦的箭，勇往直前。爱因斯坦假设时间与速度成反比。时间也像空间一样，具有延展性，所以时间也可以看成一种维度。事实上，爱因斯坦认为时间与空间不能分开来探讨，他们是一回事，是共同组成四维空间的一片织网，能够无限延伸，宇宙事件在这片织网上不断展开。爱因斯坦将其称为时空。他将这项不可思议的研究成果发表后得到了意料之中的反馈——无稽之谈。