原子钟在飞船上运行的速度会比在地球上的慢吗?这是什么原因?
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发布时间：2023-08-15 11:43
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时间：2024-11-28 12:18
既然时间不是绝对的，那么“绝对时间也跟着变慢”这种说法当然也就无从谈起了。况且这一说法本来就是矛盾的——假如“绝对”，又何来“变慢”？
至于“飞船上的 铯原子钟 走时比地球上的铯原子钟慢”，这倒是确有其事。而且不止飞船， 有实验表明，即便是飞机上的铯原子钟走时也同样比地面上更慢，只是差异微乎其微而已 ——咱们后文再来详谈这一点。
总而言之就是，时间的流速绝不仅仅只是从观察的角度而言有所不同，而是相对于不同的惯性系而言确实有所不同。它的实际状况是， 在速度越快 或者引力越大的地方，时间就流逝得越慢，但是对于同一惯性系或引力场中的人和事物而言，时间的流速始终是正常的。
也就是说，假如你坐在一艘接近光速的飞船上，你的时间过得确实比地球更慢——你感觉只过了1天， 地球上或许已经过了几天、几周、几个月……甚至许多年， 具体存在多大差异，取决于飞船有多接近光速。
反过来说，如果你呆在一个运动速度比地球慢的环境中，你的时间将过得比地球更快——你辛辛苦苦熬上1年，地球上说不定才只过了1天。
然而，无论你所在之处的时间流速比地球快还是比地球慢，你自己是感受不到任何异常的，对你而言时间的流速始终是正常的， 这就是所谓的“ 时间膨胀效应 ”。
这一理论听上去的确有些匪夷所思，甚至难以置信，然而它的正确性已经受到了无数次的检验，其中最著名的一次莫过于1971年的 “哈菲尔-基廷实验 （Hafele–Keating experiment） ” 了——这项经典的实验被大量科普类文章重复、重复、再重复地提及，可惜绝大部分文章的描述都是错的。
鉴于提问者也是科学领域的创作者，我把准确的实验过程和结果讲一下，建议你可以把它收藏下来，将来写文章或许用得上。
哈菲尔-基廷实验
1971年10月， 美国海军天文台 （USNO）的物理学家 乔·哈菲尔 （Joseph·Hafele）和 理查·基廷 （Richard·Keating），携带着编号分别为120、361、408、447的 四台铯原子钟 ，搭乘定期的 商业航班 ，沿赤道地区进行了两次 环球飞行 ：
一次向东，与地球的自转方向相同，总计耗时41.2小时，平均巡航高度8900米。
一次向西，与地球的自转方向相反，总计耗时48.6小时，平均巡航高度9400米。
沿相反的方向做两次环球飞行，是由于地球的公转和自转速度会影响飞机相对于地心的速度；随身携带四台铯原子钟则是出于严谨以及降低误差的目的。
由于 距离地面越高引力就会变得越小 ，因此在实验的过程中， 被带上飞机的铯原子钟不仅会受到“速度时间膨胀效应”的影响，还会受到“引力时间膨胀效应”的影响，最终的结果为两者之和。
完成两次飞行之后，哈菲尔和基廷将客机的速度、高度、线路等参数代入相对论的一系列公式中，计算出了 飞机和地面的 铯原子钟走时 会出现多大差异；然后又将 携带的铯原子钟与位于 美国海军天文台的铯原子钟进行了比对，最后得到了如下结果：
截图上半部分的文字是实验过程的简介，就不用去管它了，我只把数据部分翻译一下：
向东飞行时
向西飞行时
从上述数据中可以看出： 如果飞机以8900米的高度向东飞行41.2小时，时间流速在理论上应当比地面大约慢40纳秒，而实际观测结果是慢了大约59纳秒；如果飞机以9400米的高度向西飞行48.6小时，时间流速在理论上应当比地面大约快275纳秒，而实际观测结果是快了大约273纳秒。
理论计算和现实观测的结果几乎是一致的，微弱的差异主要来源于飞机在航行过程中受到的一些客观影响。不过，相较于光速而言，飞机的速度实在太慢了，飞行40多个小时才出现了200多纳秒的差异，而十亿纳秒才等于1秒，这微不足道的差异完全可以忽略不计。
值得一提的是， 实际观测值中的-59纳秒和+273纳秒这两个数据，是四台铯原子钟的平均值，故而也分别包含了 10和 21纳秒的测量误差。
实际上，在向东和向西飞行时，飞机上的 四台铯原子钟 与海军天文台的原子钟之间 差值分别为：
120号原子钟：-57纳秒；+277纳秒。
361号原子钟：-74纳秒；+284纳秒。
408号原子钟：-55纳秒；+266纳秒。
447号原子钟：-51纳秒；+266纳秒。
从这组数据中我们也能看出， 当飞机顺着地球自转方向飞行时，四台铯原子钟的走时全都慢了59纳秒左右；逆着地球自转方向飞行时，四台铯原子钟的走时全都快了273纳秒左右， 并且理论预测的情况也的确应当如此，且数值基本吻合。
由此可见， 哈菲尔-基廷实验完美地证明了《相对论》的正确性 ——在速度与引力不同的情况下，时间的流逝速度确实会变得不一样。而爱因斯坦在铯原子钟还未发明出来时，就准确地预料到了这一点，甚至将预测的结果精确到了纳秒，这便是他的伟大之处。
事后，这项实验的论文被发表在了“美国科学促进会（AAAS）”出版的学术期刊 《Science （科学） 》 上，这也是全世界最权威的学术期刊之一。
同时，哈菲尔-基廷实验的结果也为GPS卫星的时间修正提供了参考。因为 GPS卫星 以7.9公里/秒的高速 在引力更小的太空轨道上运行，会产生更强烈的时间膨胀效应，倘若不强行修正，使其与地面时间达成同步，就无法提供准确的位置信息。
综上所述，《相对论》以及时间膨胀效应无论多么*我们的认知，它的确是正确无疑的。
这是空间引力风作用于三元运动变量条件，而产生阻力作用的必然结果！详见2017年第1期《科学中国人》中的《辩证的绝对时空观》一文。
结局分为如下两条：
① 如果飞船与地球之间的距离在不断增加，也就是飞船与地球都一直保持惯性系，那么时间变慢是相对的，各自都觉着对方慢。
② 反之，一旦飞船要回到地球，那么这个时间相对就被打破了，最终是飞船内的时间变慢。
考虑到实际情况，一般来说飞船必定是要返回地球的，否则怎么验证原子钟时间是否变慢呢？说到这点，可能有些朋友想到，飞船不必回来，只要朝地球发射电波信号即可，信号携带着飞船原子钟的时间信息。
这个方法也是可行的，设计流程是这样的，起飞前，约定好飞船内部人员在其原子钟显示为特定时间时（比如为一小时，毕竟飞船的速度极快，否则相对论效应很难体现），就向地球发送带信号，告诉我们飞船内部时间为一小时。
考虑到信号传播需要一定时间，地球上的人在结合相对论效应的基础上，可以推算自己能在几时几分接收到飞船信号。如果成功，则说明飞船内部时间相比于地球确实变慢了，否则该信号将会在其它时间段被接收，那就说明相对论预测失败。
同样的，这样的实验，飞船内部人员也可以进行测试。
但实际上，咱们目前的 科技 还做不了如此高能的实验，但科学家们已经通过其它现象观测到了这个效应的存在，比如利用宇宙射线中的μ子进行统计测量实验，还有就是1971年进行的原子钟环球飞行实验（虽然这个实验严格来讲是验证了广义相对论）
此外前文还提到了另一种结局，就是飞船返回地球，这实际上就是双生子佯谬问题，具体解释可以看我主页里8月份写的文章。
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