澳洲黑洞、爱因斯坦和时空:在宇宙诞生之初,时间似乎跑得慢得多

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杰兰特·刘易斯研究古老的巨大黑洞。类星体比我们的太阳系大一点,比十亿个太阳重一些,位于遥远星系的中心,它们在那里慢慢撕裂并吞噬附近的恒星。

当气体和物质滚向黑洞时在重力作用下,它会粉碎在一起,直到达到极高的温度并点燃,在黑暗中心周围形成一个火晕。该洞本身以接近光速的速度喷出等离子体射流。

这位艺术家的概念图展示了一个拥有明亮类星体的星系,类星体是一个非常明亮、遥远且活跃的超大质量黑洞,其中心质量是太阳质量的数百万至数十亿倍。

此艺术概念图展示了一个拥有明亮类星体的星系,类星体是一个非常明亮、遥远且活跃的超大质量星体黑洞的中心质量是太阳质量的数百万至数十亿倍。图片来源:路透社/NASA

每个类星体都以自己的节奏脉动。跟踪这些节奏,你就可以跟踪宇宙中的时间。

在最古老的类星体中,从一开始就是恒星怪物,这些脉冲似乎运行得很慢——比应有的慢得多。刘易斯在《自然天文学》周二发表的一篇论文中指出,仔细观察表明,早期宇宙的时间似乎比今天的时间慢五倍。

如何实现的? “这总是要追溯到爱因斯坦,不是吗?”悉尼大学物理学院和悉尼天文研究所的天体物理学教授刘易斯说。

时间过得很慢

让我们从伟大的数学家艾萨克·牛顿开始。在他的时代(1643-1727),科学家们认为时间是绝对的有一个通用的滴答作响的时钟。无论你身处宇宙何处,时间都以相同的速度流逝。

时间是恒定且绝对的。

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在瑞士专利局工作的一年时间里,阿尔伯特·爱因斯坦改变了这一切。

他认为光速是绝对的,其他一切(包括时间和空间)都是可变的。

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阿尔伯特·爱因斯坦。图片来源:美联社

想象一下您正在以 100 公里/小时的速度驾驶汽车。您旁边的汽车的速度为 110 公里/小时 – 但如果您盯着窗外看,它只以 10 公里/小时的速度从你身边经过。

光是恒定的。无论你走得多快,如果你看一束光,它总是会以相同的速度移动:每秒 299,792,458 米。

这似乎不可能,但这是我们宇宙的物理学特征。接受它。

回到刘易斯的类星体。

当他观察那些距离大爆炸较近的较老的类星体时,它们的滴答声似乎减慢了。

< p>但是科学家们知道类星体的速度不会减慢。

发生了什么?

有两件事,一件事容易理解,另一件事很难(说真的,我花了很多时间来思考这个问题)。

首先,宇宙——时空的结构——正在膨胀。 “你可以想象太空有某种程度的伸展,”刘易斯说。

这意味着滴答作响的类星体离地球越来越远。类星体本身并没有移动——空间只是在拉伸。

每次类星体滴答作响时,来自该滴答声的光都会传播得更远,因为宇宙更大。从地球上看,蜱虫的速度似乎越来越慢。对我们来说,类星体看起来正在减速。

这很简单。到目前为止?

Geraint Lewis 教授图片来源:Louise Cooper

现在,我们进入难点了。

类星体的滴答声对我们来说似乎正在减慢。假设刘易斯坐在悉尼大学的天文台里,拿出手表并计时。 勾勾勾勾。 他每 10 秒数一次。

但想象一下,你正在绕类星体运行,看着光线射入太空。从你的角度来看,并没有放缓。类星体的滴答声很好而且很规律。每秒一格。从你的角度来看,地球上的时钟似乎走得很慢。

哪个时钟是正确的?根据爱因斯坦的说法,两个时钟都是正确的。

“每个人都认为对方的时钟走得很慢。这就是它的相对论——这与你的相对观点有关。”昆士兰大学天体物理学家塔玛拉·戴维斯教授说。

这不是一种视错觉或廉价的把戏。这是我们宇宙的一个真实特征。

我们可以在 1971 年进行的 Hafele-Keating 实验中看到这一点。两名物理学家乘坐喷气式客机起飞,旁边的座位上绑着巨大的原子钟,然后飞往世界各地,朝相反的方向飞行。

当他们返回时,他们发现了ti他们的时钟上的时间与未完成旅行的原子钟上的时间不同。因为它们的移动速度(稍微)接近光速,所以随着时间的推移,它们的移动速度稍微慢一些。

但是……怎么做?

这一切是如何工作的?

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爱因斯坦证明,时间和空间是同一个:时空。

当我们在空间中移动时,我们也在时间中移动。

想象一下走上一组的楼梯。您正在三个维度中移动:长度、高度和时间。

现在,即使您站着不动,您仍然在时空中移动 - 并且始终以相同的固定速率(光速)移动。

因为我们在时空中移动的速度是固定的,所以当我们在空间中移动更快时,我们在时间中移动会更慢

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