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1905年愛因斯坦給出了狹義相對論。按照狹義相對論，運動的尺會縮短，運動的鐘會變慢，這是狹義相對論的“尺縮鐘慢”效應。尺縮鐘慢的意思是，當你測量一個距離，比如地球到月球的距離，你靜止的時候測量到的地月距離是l，當你駕著飛船從地球高速飛向月球時測量到的距離就會小於l，並且速度越大測量到的地月距離就越短，所用的時間也就相應越短。

狹義相對論有一條基本原理叫相對性原理，意思是物理規律在所有的慣性系中具有相同的表現形式。愛因斯坦沒有止步於狹義相對論，因為物理學中有慣性系也有非慣性系，狹義相對論並不能深入到非慣性系中。1911年愛因斯坦在進一步思考的時候有了他“一生中最有價值的想法”，那就是一個人在做自由落體運動時不會感到有重力作用。1915年愛因斯坦在此基礎上給出了“等效原理”，即引力場等同於以適當加速度運動的參考系。處在引力場中的物體如果選擇合適的參考系，它的運動方程中就不會有引力項。這樣狹義相對論的相對性原理就可以推廣到所有的參考系，即物理規律在所有的參考系中都有相同的表現形式。在此基礎上愛因斯坦給出了廣義相對論。

廣義相對論的一個結論是時間在引力場中會變慢。為什麼會變慢，可以從如下的角度簡單地去理解：高速的運動會使時間變慢，那麼強引力場對物體的加速也能夠使時間變慢。比如地面附近的引力場比地球同步衛星軌道處的引力場強，這就意味著地面上和地球同步衛星軌道上的時間流逝快慢不一樣。只不過地球的引力比小，這點差距一般不被人察覺。

事實上現在的地球衛星往往要根據相對論對時間進行修正，比如離地2萬千米高度的GPS衛星在以1.4萬千米每小時的速度高速飛行。按照狹義相對論的運動的鐘變慢，它每天慢7微秒；按照廣義相對論，處在距離地面2萬千米的弱引力場中，衛星每天會快45微秒。如果不對此進行修正，會限制導航的精度。

若是到了很強的引力場附近，引力導致的時間變慢會非常明顯。一個典型的例子就是黑洞，黑洞附近有強大的引力，如果一位宇航員不幸墜向黑洞的視界內部，黑洞強大的引力會讓地球上的人感覺到宇航員的時間變得極其慢，即使經過億萬年也不會墜入黑洞的視界，好像固定在了黑洞視界處似的。而在宇航員看來，他的時間並沒有變慢，自己已經做好了撞入黑洞內部奇點的準備。一些科幻片就經常借用黑洞附近的時間變慢進行各種幻想，其背後的理論依據就是廣義相對論的強引力會使時間變慢。

刁博

引力會使時間變慢這個知識目前在科學界是很常識的東西，包括我們用的GPS衛星都是時間會隨引力的大小改變而改變的表現，因為我們在地球上比在外太空受到的引力要大。

所以我們在地球上的時間就要比外太空慢一點，GPS衛星每天都會比我們地球上的時間要快大約7微妙，所以得每天我們都得矯正地球和GPS衛星上的時間。不過因為引力相差不大，所以我們與GPS衛星的間隔才會每天只隔7微妙。

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時間史

引力是目前唯一還沒有被納入標準模型裡的基本力，它作為四大基本作用力中最弱的一種力，向來都只在天體運行時發揮作用

牛頓雖然說是最早將引力進行總結歸納並應用到實際問題中的物理學家，但他並不知道引力絕非“看上去那麼簡單”，上個世紀初愛因斯坦的廣義相對論才是對引力的進一步拓展描述，其中最重要的就是確認了引力誕生的原因和引力的新特性。

拋開已經“說爛了”的引力誕生原因，我們本次著重說明一下引力的“新特性”——延緩時間流逝速度。

“時間是相對的”，這句話在愛因斯坦早期的狹義相對論中就得到了數學證明，雖然該結論看上去很“反直覺”，但後來塔頂和塔基的原子鐘以及如今衛星上的原子鐘都表明了在“不同速度或者不同引力強度下，時間的流逝速度也不盡相同”

138.2億年前宇宙大爆炸以來，時間空間和物質從此出現，然而愛因斯坦認為時間和空間是一體化的，也就是“時空”，這樣一來原本之前看上去隻影響空間的因素其實也在影響時間，因此“時空扭曲也會觸發時間膨脹”

比“引力使得時間變慢”更準確的應該是“質量扭曲時空使得時間變慢”

宇宙觀察記錄

如果說到本質，就是因為光速不變原理，愛因斯坦狹義相對論的基本假設，光速不變是狹義相對論的基石，而狹義相對論又是廣義相對論的基石！

但是如果說是因為光速不變原理，可能很多人並領情，畢竟要想從光速不變原理推導出引力使時間變慢是很複雜的過程，一時半會很難說清楚！

這裡就長話短說！在認同光速不變原理的前提下（當然如果你不認同，也就沒有討論的必要了），重點了解下廣義相對論的等效原理！

引力和慣性力在局部是不可分的！

這是什麼意思？很好理解，假設你乘坐一艘飛船以9.8的加速度飛行，你閉上眼睛是分辨不出到底是在地球上還是在飛船上，而且你在飛船上做的任何事情與在地球上的感覺都是一樣的！也就是說引力與加速度可以是等效的！

瞭解狹義相對論的都應該明白有一個著名的“雙生子佯謬”，其中就有一個細節，如果你在極端的時間裡（瞬間）加速到亞光速，你本身的時間流逝為零，但是你加速到亞光速的一瞬間，遙遠星球的人的時間會一下子流逝數十年之久，具體流逝多少取決於你最終加速的速度大小！也就是說，你的時間變慢了（相對）！

而引力和加速度又是等效的，所以極強的引力其實等效於極強的加速度，所以引力會讓時間變慢！

其實廣義相對論的核心就是時空的扭曲，而由於光速不變，時空的扭曲本身就意味著時間流逝速度變慢，這是最直觀的理解！事實上加速度就相當於扭曲了時空，產生了引力的效果！

注意，這裡的時間變慢是相對的，不是絕對的，每個人的固有時是不變的，這種固有時的對比也沒有意義，因為位於兩個完全不同的時空，座標系不同就沒有任何對比的意義！

宇宙探索

一部由加州理工學院理論物理教授基普·索恩（Kip Thorne）兼任製片人的好萊塢大片《星際穿越》（Interstellar）中，講到宇航員喬·庫珀與兩個同伴一起，在一個叫做米勒的行星上僅待了3個小時，這是一顆圍繞著巨型“卡岡都亞”黑洞運動的行星。由於行星軌道離黑洞太近，時空彎曲的厲害，時間走得極為緩慢。當庫珀與兩位同伴回到“永恆號”飛船上時，第四位宇航員尼古拉·羅米利已經變老了23歲。

愛因斯坦（Albert Einstein）認為，質量在四維空間中施加了影響，時空在大質量天體（如地球、太陽、黑洞）的影響下會產生彎曲，引力源自時空彎曲對其他物體運動的影響。時間自然也參與到這種影響中——越靠近恆星，引力場越強，時鐘就走得越慢。

首先，廣義相對論的核心是等效原理（Einstein Equivalence Principle），其基本含義是重力場與以適當加速度運動的參考系是等價的。在適當單位制條件下，引力質量與慣性質量成正比例並且相等，引力與加速度之間沒有區別。

假設你走進一間無窗戶的小屋，你被地球引力拉到地板上。此時，想象你的朋友走進一艘飛船的相似房間裡，飛船正在太空向上加速（a=g）運動，但他同樣被慣性力拉到地板上。這是因為整個房間作為飛船的一部分在向上做加速運動。

愛因斯坦指出，這兩種情況沒有本質區別。換言之，對於你和你的宇航員朋友來說，所有可能的實驗都會得到相同的結果。無論通過力學、電磁學或者其他實驗手段，都無法區分出房間外的參考系。
相對論告訴我們，時間在一艘加速的飛船上會逐步膨脹變慢，那麼根據等效原理，時間在一個引力場環境中也會膨脹變慢。正如愛因斯坦在1911年拜訪洛倫茲時所解釋的一樣，你的手錶在大廈的二樓走得要比地下室略快一點，因為二樓的地球引力場稍弱。

第二，廣義相對論預言了引力紅移（Gravitational Redshift）。由於質量扭曲了時空，強引力場中天體發射的電磁波波長會變長。

想象一下，由於地球的引力場，上海中心大廈632米屋頂上的時間比地面時間會走得更快一點。假設有一支激光筆（波長通常是532納米）指向其屋頂，屋頂上的人看到的波長不是532納米，而是一個比532納米略長的波長。原因在於，時間對於在屋頂上的人來說走得更快一些。
在大廈的頂端，根據愛因斯坦的光速不變原理，激光仍然保持著相同的速度，但頂端的引力要比地面弱一些，因此時間走得稍快一些。換言之，在頂端觀測到的光頻率略低、波長略長、能量略低，而且顏色偏紅一些。這就是引力紅移。當然，這個紅移效應很微弱。

引力紅移的經典解釋是：一個由質量扭曲的時空結構中，光的空間振動介質的密度變大，導致振動頻率變化。接近引力源處，時間會膨脹變慢。

上世紀60年代，哈佛大學的一個實驗團隊在傑弗遜物理實驗室（Jefferson Physical Lab）通過精密測量，已經驗證了這個光譜頻率改變的引力紅移預言。

這次試驗成功地測到了高度差的兩點之間引力勢的微小差別所造成的譜線頻率的移動效應，其結果表明實驗值與廣義相對論完全吻合。
驗證引力紅移的實驗還帶來了當今非常實用的成果：GPS導航系統。這個系統中由衛星攜帶的鐘必須實時校正由於引力紅移帶來的時間差。

在大約2萬公里的高空，約有30顆衛星繞著地球運行。每顆衛星都載有一臺原子鐘，通過比較來自三顆或更多顆衛星的原子鐘信號，GPS可以通過計算測出你的位置（經度、緯度和距離）。
正因為這些衛星在遠離地球引力場的太空運行，衛星上的原子鐘走時會快一些；而地面的時鐘由於引力場強大，時鐘走得慢一些。GPS服務時便設計成自動對時間差進行校正。因此，相對論的成果保證了我們的車船和飛機能夠按準確的路線前行。

（謝謝閱讀）

看松讀畫軒

為什麼引力會使時間變慢？廣義相對論的等效原理說的很清楚，引力場局域等效於物體運動的加速度。而在狹義相對論中，物體高速運動會產生“鐘慢尺縮”效應，鐘慢就是時間變慢，不過這個效應是個慣性系中的觀察者效應，只有通過變速進入不同的參考系（時空），即物體存在加速度，時間才會真正地變慢。既然引力場等效於運動加速度，因此引力場同樣會使時間真正變慢。

愛因斯坦經常用在沒有任何引力的太空中的一個升降機來解釋等效原理。

由上述情形可知引力和加速度是等價的，因此狹義相對論中物體在慣性系的高速運動通過加減速使時間流逝速度發生了變化（比如說“雙生子佯謬”，哥哥乘坐近光速飛船因為存在加減速，當回到地球時，看到弟弟已白髮蒼蒼，哥哥的時間膨脹了。

物原愛牛毛1

電池快沒電了，時鐘也變慢。我們知道這是由於機械提供的動力不足引起的。

那麼引力為什麼能使時鐘變慢呢？我們知道在引力源附近，引力常量g是不同的。顯然g越小，所受引力就越小。

在同一等高線處，g相同。但速度越快，所受空間阻力越大，時鐘也會變慢，甚至於倒轉。

但時鐘與光速有什麼關係呢？我們把1光年細分：

1光天=1光年/365；

1光時=1光天/24；

1光秒=1光時/3600；

1s→→3×100000000m；

所以我們知道1光秒對應300000000m；同樣300000000m對應1光秒。

所以所有的變化只是距離的變化，而人們卻將這種距離轉化為時鐘的改變。這是由於人類從古至今的天文觀念導致的，認為時間是個獨立的概念，而本人認為時間本身就是三維空間體內的距離概念的擴展。地球公轉一圈是一年，我們完全可以當作它運動了1光年的距離。那麼再回到地面與空中衛星問題，衛星之所以使時鐘變慢，完全是它相對於地面的標準時鍾所在處少走了一段距離。

所以，我們明白：所謂的時鐘變慢，僅僅是衛星相對地面標準時鍾少走了一路距離。至少為什麼少走了一段距離，那就與其運動有關。也即是由常數g的大小不相等導致的。

雲頂山上山頂雲

這個問題如果真得仔細答來，那得需要從廣義相對論的開頭開始講起，而在此之前還需要了解狹義相對論，畢竟引力這個東西，在相對論理論被解釋為時空彎曲，而時空則是相對論最核心的概念。

想要通過一篇問答來仔細講準確廣義相對論是不現實的，因此我們可以先從狹義相對論開始入手，畢竟狹義相對論中也是存在鐘慢（也就是時間變慢）效應的，而狹義相對論只是廣義相對論在時空平直時的特殊形式，因此瞭解狹義相對論十分有必要。

狹義相對論的兩大基本前提：狹義相對性原理和光速不變原理。

狹義相對性原理告訴我們物理規律在任意慣性系內都具有相同形式，而光速不變原理則說明，真空光速在任意慣性系內都相同。有了這兩條，就能推導出一個被稱為“洛倫茲變換”的東西，注意一點，洛倫茲變換成立的前提是兩個慣性系之間，這也就是為什麼很多人認為狹義相對論只能處理慣性系之間問題的原因。

但實際上，隨著相對論的進一步發展，科學們認為這樣的方式過於狹隘，所以將狹義相對論與廣義相對論的界限定為了時空是否彎曲，也就是說：即便是非慣性系問題，只要背景時空是平直的，那麼仍舊屬於狹義相對論的範疇，而上段所講的洛倫茲變換也不能代表狹義相對論的全部核心（洛倫茲變換隻是一個更加普遍形式的特例）

但我們仍以洛倫茲變換為例，在此種情況下，我們可以推導出一個被稱為動鍾變慢的效應，也就是相對於一位靜止觀測者來說（所謂靜止觀測者，也就是指觀測者位於慣性系某點不動），移動的物體，比如一個時鐘，它的時間過的要比觀測者自身要慢。

比如一個經常被提到的例子，雙胞胎兄弟，哥哥去太空飛行，弟弟在地球等待，試問哥哥回來後，二人年齡相差幾何？

答案是哥哥比弟弟年輕，因為哥哥哥哥存在加速度（指四維加速度），不是慣性系，所以慣性系平權就談不上了，因此不會出現弟弟看哥哥，認為哥哥時間慢，哥哥要比自己年輕；而哥哥看弟弟，認為弟弟運動，時間慢，弟弟比自己年輕的矛盾結論了。

開頭第二段也說了，狹義相對論是廣義相對論的特殊形式，所以廣義相對論中也應存在一個鐘慢效應，而廣義相對論又是一個描述引力的理論，因此自然和時空彎曲分割不開，所以有了一個被稱為引力鐘慢的效應。

這個效應簡單來說，就是時空彎曲的越厲害，該處的時間就流逝的越慢。比如在地球表面，不同高度處，因為引力勢不同，導致各處時間流逝的也不一致，典型的例子就是GPS衛星的相對論時間修正。

最後補充一點：時空彎曲（引力）必然伴隨潮汐效應，而加速度等效出來的引力場，不存在潮汐效應，因此我們不能說加速物體的時間變慢是引力所致，也就是雙生子問題不存在使用廣義相對論的前提。

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賽先生科普

這個根本原因應該從廣義相對論的角度來解釋——因為引力的本質是時空的扭曲。

是怎麼樣一種扭曲？

首先，必需說不是下面這種。

網上不少科普文使用上面這種圖示來示意引力造成的彎曲其實是一種誤導。

引力造成的扭曲應該是這樣的:

從上面的示意當中可以看出來，引力造成的時空扭曲實際上是時空的密度的變化——在地球周圍時空變得更密了。如果讓天體動起來就是下面這種狀況。

所以，實際上引力是時空的密度變化所致——不僅是空間變密了，時間也變密了。可以用時空的網格來描述這種疏密變化的度。這些網格會隨著引力而連續改變（不會斷片），並且網格會向天體的質心扭曲。

時間為什麼會變慢？

個人提出兩種解釋的途徑（這只是簡單的邏輯推測，並未經實驗證實，請讀者注意）：

• 從時空網格密度的角度來解釋
  

我們假設一個只有地球的時空來說明這個問題，這樣情況會單純一點：

前面已經解說了，在靠近地球的地方網格更密，我們可以認為物體（比如一個人）的度量的尺寸不會因為時空網格的變密而變小，於是等效於時空網格通過物體的量更多了（因為網格更密），因此在大質量的地球附近通過物體的時空網格更多——這意味著通過的時間也更多了。而遠離地球的物體，其度量尺寸沒有變，但所處位置的時空網格更稀疏，因此通過的空間和時間的量都更少。

如此相對於靠近地球的物體來說，遠離地球的物體以自己的尺寸來度量時間和空間的流逝量的時候，實際上就要少一些。通俗點說就是，靠近地球的物體以自己所認為的速度勻速運動1秒鐘（或者移動1米），對於遠離地球物體來說實際上是需要大於1秒（或者移動時大於1米）才能實現的。再換個角度說就是地球附近的1米在遠處實際上是大於1米的。因為整個時空的網格（術語叫“度規”）在質量附近“濃縮”了。

上圖：對於在引力場當中的不同位置的人，雖然她感覺自己的尺寸沒有改變，但處於這些不同密度的時空當中運動時，相對的時空流逝量是不同的，在密度高的時空裡面做同樣運動的耗時要相對比在稀疏的時空要少一些。注意那個女孩腳下的波形，光在不同密度的時空下不會改變傳播速度，但是會改變波長。時空稀疏了，光波就被拉長了。所以光的紅移或者藍移可以度量時空被拉伸變得稀疏或者壓實變得緊密。

這種“濃縮”效應也是引力透鏡（光的傳播路徑被向質心擠壓）和光的引力紅移（光在時空的梯度中逆向傳播）的原因——實際上光就是很好的度量時空網格的一種東西，光的運動就是沿著時空的網格線在運動。如果遇到黑洞，那麼光也會向其內部運動，這意味著時空的網格也向黑洞內部延伸（而且是無限延伸）。

• 從等效性的角度來解釋
  

愛因斯坦的“強等效原理”認為：引力與加速度等效，或者說沒有證據證明他們不等效（實際上這是慣性質量與引力質量等效性的推論）。那麼我們就可以把引力認為是一種加速運動，從而認為時空在加速向物體的質心內塌陷。如此一來就好解釋時間變慢的問題了。

上圖：引力質量與慣性質量“神秘地”等效。實際上可以解讀為時空在以重力加速度向內蹋縮運動（黑洞不就是這種情況的極端嗎？）。

我們還是拿上面的“孤獨地球”場景來做描述，方便理解：

根據強等效性原理，前述情況相當於靠近地球的物體的加速度要大於遠離地球的物體的加速度，那麼實際上這兩個物體之間必然存在著等效的速度差，也就是說或它們之間的時空距離等效於會不斷增加，那麼它們之間就存在一個等效的相對速度。這裡就可以再利用狹義相對論的結論，如果兩個物體存在相對速度，那麼它們之間就會有時間流逝速度的差異，並且這個時間膨脹的量符合洛倫茲變換所得出的差值。顯然那個靠近地球的物體的等效相對速度是大於那個遠離地球的物體的，因此根據狹義相對論的等效性原理，遠離地球的物體會觀察到靠近地球的物體的時間流失更慢。

如此，通過把廣義相對論的結論轉換到狹義相對論的體系下，利用被“默認”的引力與加速度等效性也可以解釋引力導致時間變慢的原理。

總結

我們首先解釋了通常對時空扭曲的一種誤解，然後基於正確的理解，我們可以有兩種方式來解釋引力導致時間變慢的原理。

小宇堂

當你說，引力場中的時間會變慢時，首先要弄清楚，一，時間是怎麼測量出來的？二，時間的變化又是怎麼測量出來的？

時間測量，還不簡單，不就是用時鐘來測量嗎？我再補充一句，物理學上的標準時鍾，被物理學家們規定為一個特定的銫原子的週期性振動（輻射），這個銫原子在給定次數的振動所持續的時間，就是1秒。

現在討論第二個問題，請問，時間變慢是指這個標準時鐘的走時變慢了嗎？如果這個標準時鐘的走時變慢了，請問，怎麼測量？你有一個比這個標準時鍾更精確的時鐘？誰承認你這個時鐘更標準？假設你說服了大家，所有人都承認你手上這個時鐘是世界上最標準的時鐘，只有你這個時鐘測量出的時間才是世界上最標準的時間，那麼請問，原來的那個時鐘，原來作為標準，現在大家又不承認是標準的那個銫原子鐘，所測量出的時間，還能是標準的時間嗎？它的變慢，還能被說成是時間變慢了嗎？對於這個現在大家新公認的標準時鍾，它會變慢嗎？如果會，又是以誰為標準測量出來的？如果會，它還能是標準時鍾嗎？它的變慢還能是時間變慢嗎？

你說，引力場中的時間變慢，是相對於無引力場中的時間而言的。這實際上是說，你用一個無引力場中的標準時鍾，作為你測量的標準，去測量位於引力場中的另一個標準時鍾，發現引力場中的那個標準時鍾變慢了。不討論你具體是怎麼進行測量的，假設你確實有辦法不用把A鍾拿到引力場中，就能測量出引力場中的B鍾變慢了，也就是說，A鍾也能用於引力場中的時間測量，你為什麼不把A鍾也作為引力場中的標準時鍾，不把A鐘的走時，作為引力場中的標準時間呢？這樣，引力場的區域和非引力場的區域，就有了一個統一的標準時間，這不更方便嗎？

你可能會這樣說，儘管引力場和非引力場可以有一個統一的標準時間，但引力場中的所有的物質運動變化過程都變慢了，我們把它說成是引力場中的時間變慢了，有何不可？且慢，我們現在能夠肯定的只是，也就是我們現在實際測量到的只是，引力場中的那個時鐘B，它的走時過程，它的運動過程變慢了，至於其它的物質運動變化過程，是不是也變慢了，也與時鐘B同步的變慢了，還不能肯定，這需要對所有其它的物質運動變化過程進行實際測量才能確定。

即使引力場中的所有物質運動變化過程，與時鐘B同步的變慢了，那也只是物質運動變化過程的變慢，不是標準時間的變慢，而且，引力場中的物質運動和變化過程的變慢，是以一個恆定不變的標準時鍾，在引力場中也恆定不變的標準時鍾，即A鍾，為測量的標準，所測量出來的。如果把引力場中的物質運動變化過程的變慢說成是時間變慢，那就等於混淆了物質運動變化過程的測量的結果，和測量時所依據的標準，就會產生嚴重的邏輯混亂，例如，時間就可以彎曲，你就可以回到從前，殺死從前的你。

引力場使物質運動變化過程變慢，如同引力場使運動的物體加速或減速一樣，是引力場對物質運動變化過程的影響，不是時間變慢，而且，引力場中的物質運動變化過程的變慢，正是以一個恆定不變的標準時鍾，在引力場中也恆定不變的標準時鍾，為測量的標準，所測量出來的。

關鍵字: 狹義 變慢 相對論