科学探索|时间膨胀是真实存在的:你的头比脚老得更快( 二 )


对波动性的光而言,同样也会出现这种效应:如果光源和观察者彼此远离,则光谱会向更长的波长(红光方向)偏移,;而如果它们彼此相向运动,光谱就会向更短的波长(蓝光方向)偏移 。
现在,奇怪的事情来了:当你受到的引力场强度在不同位置间变化时,也应该会发生同样的效应——即使每个人都是静止的 。正如光可以有多普勒红移和蓝移,引力也会有红移和蓝移 。例如,如果从太阳发送一个光子到地球,由于太阳的引力场主导着太阳系,而且太阳附近的引力场强度比更远的地方更强,因此光子在从太阳到地球的过程中会失去能量(变得“更红”) 。如果光子朝相反的方向移动,即从地球到太阳,那么光子将获得能量,颜色变得“更蓝” 。

科学探索|时间膨胀是真实存在的:你的头比脚老得更快
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物理学家格伦·雷布卡正在哈佛大学杰斐逊塔的下端设置实验装置,同时给庞德教授打电话 。这就是著名的庞德-雷布卡实验 。在没有进一步改动的情况下,从塔底发出的光子不会被塔顶的相同材料吸收 。这项实验证实了引力红移的存在 。
物理学界有许多怀疑论者,他们认为引力红移的概念是完全非物理的 。这一概念非常复杂地涉及到时钟运行的速率:在任何时间间隔内经过特定位置的波峰数量决定了接收到的光频率;如果引力红移是真实的,那在不同强度的引力场中发射一个光子应该会导致可见的结果 。这意味着,和大多数物理预测一样,我们可以找到某种方法来检验引力红移 。
假设我们可以诱导一个量子跃迁,要么是电子的能级转移,要么是被激发的原子核重新配置,从而释放出一个高能光子 。如果附近有一个相似的原子(或原子核),那它应该就能够吸收这个光子,因为导致光子发射的物理学机制也会导致相反的过程:光子的吸收 。
然而,如果你把光子移到更长的波长或更短的波长上,你都不能使它被吸收了 。量子宇宙的定律是非常严格的,如果一个光子所携带的能量稍微多一点或少一点,它都无法导致适当的激发态 。

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一个光子源,比如一个放射性原子,如果光子的波长从源到目的地之间不发生不改变,它就有机会被同一种材料吸收 。如果光子在引力场中向上或向下移动,就必须改变发射源和接收器的相对速度(比如用振荡器来驱动它)来进行补偿 。这是1959年庞德-雷布卡实验的装置示意图 。
1959年,罗伯特·庞德和格伦·雷布卡进行了一个引人注目的实验,被后世称为庞德-雷布卡实验 。该实验展示了引力红移的存在,并试图对其进行量化,证明你头上的时间确实过得你脚上的时间快 。
实验人员在一个垂直的高塔内设置了一个光子发射源,然后将处于较低能态的相同物质放在塔的另一端 。如果没有引力红移——即时间对二者都是一样的——那么高塔另一端的物质应该会接收到从这一端发射出来的光子 。
当然,这些物质并没有接收到光子,因为这些光子的能量发生了变化,进而导致波长改变 。

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那些头离地心较远的人与头离地心较近的人所经历时间的流逝速度略有不同,尽管差别非常微小 。这是引力时间膨胀的结果,同样适用于物理学家(如图中拿着烟斗的乔治·伽莫夫)和非物理学家 。