根據狹義和廣義相對論,天宮二號上的時間比地球上快還是慢?
根據相對論的時間膨脹效應,由於天宮二號在太空中飛行,那上面的時間流逝速率與地球上相比會有所不同。不過,只有在接近光速和強引力場的情況下,時間膨脹效應才會變得很顯著。天宮二號和地球的時間流逝速率差異其實很小,小到只有用原子鐘才能測出來。
首先,根據狹義相對論的動鍾變慢效應,天宮二號上的時間(ΔT)過得地球上(Δt)更慢。天宮二號的軌道高度為393公里,對應的軌道速度(v)為7.68公里/秒,相當於真空光速(c)的0.00256%。由動鍾變慢效應可得:
代入具體數值,則有ΔT≈0.999999999672Δt,這意味著地球上過一秒,天宮二號上會比地球上慢了0.328納秒。累計一年,天宮二號上的時間也只會變慢10.35毫秒。
其次,根據廣義相對論的引力時間膨脹效應,地面比天宮二號距離地心更近,受到的引力作用更強,所以時間會過得更慢。由引力時間膨脹效應可得:
上式中,ΔT為參照系與地心距離為r處的時間,Δt0為距離引力場無限遠的時間,G為萬有引力常數,M為地球的質量。
代入具體數值,經過化簡之後,可以得到天宮二號上的時間ΔT2和地球上的時間ΔT1關係:
ΔT2≈1.0000000000404ΔT1
這意味著地球上過一秒,天宮二號上會比地球上快了0.0404納秒。累計一年,天宮二號上的時間也只會變快1.27毫秒。
因此,同時考慮狹義相對論和廣義相對論的時間膨脹效應,天宮二號上的時間過得比地球上慢。但兩個參照系的時間流逝速率差異很小,地球上每過1年的時間,天宮二號上的時間才會慢了9.1毫秒。
另外,如果是對於軌道高度為兩三萬公里的導航衛星,比如,位於軌道高度為3.58萬公里的地球同步軌道上的北斗-G3,那裡的廣義相對論效應將要比狹義相對論效應更為顯著,使得導航衛星上的時間過得比地球上更快,每天走快大約數十微秒。雖然這個時間差得很小,但乘以光速就是一個不小的數字,所以必須要消除掉這種不可忽視的誤差。
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