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输入计算

数学公式

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结果

天体附近的固有时间(t₀)
0.9999999993
在半径 r 处经历的秒数
时间膨胀因子 √(1 − 2GM/rc²) 0.999999999304
输入的远处时间 1 s
时间差(t_far − t₀) 0.000000000696 s

什么是引力时间膨胀?

根据爱因斯坦的广义相对论,引力场越强,时钟走得越慢。一台位于大质量天体引力势阱深处的时钟,比远处一台完全相同的时钟滴答得更慢。本计算器采用史瓦西解来量化这一效应:只要给出天体的质量、你到天体中心的距离,以及远处观察者经历的时间,它就能算出靠近质量处所经历的固有时间。

靠近大质量天体的时钟比远处的时钟走得慢
靠近大质量天体的时钟比远处的走得更慢。

使用方法

需要输入三个数值:引力天体的质量(单位:千克)、到天体中心的径向距离 \(r\)(单位:米),以及远处经历的时间(单位:秒)。工具会输出固有时间 \(t_0\)、无量纲的膨胀因子,以及两台时钟之间的时间差。支持科学计数法,例如 5.972e24

公式详解

核心方程为 $$t_0 = \text{Time far} \sqrt{1 - \frac{2G\,\text{Mass}}{\text{Radius}\,c^{2}}}$$ 其中 \(G = 6.67430 \times 10^{-11}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{kg}^2\),\(c = 299{,}792{,}458\ \text{m/s}\)。表达式 \(2GM/c^2\) 即史瓦西半径。当 \(r\) 趋近史瓦西半径时,根号下的项趋于零,对远处观察者而言时间近乎停滞——这正标志着黑洞的事件视界。

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史瓦西时间膨胀因子随到质量距离变化的曲线
当 \(r\) 接近史瓦西半径时,时间膨胀急剧增大。

实例演算

以地球为例(\(M = 5.972 \times 10^{24}\ \text{kg}\)),在地表处(\(r = 6{,}371{,}000\ \text{m}\)),\(2GM/(rc^2) \approx 1.39 \times 10^{-9}\)。膨胀因子约为 \(0.9999999993\),因此远处每流逝 1 秒,地表时钟约记录 \(0.9999999993\) 秒——每秒相差约 \(7 \times 10^{-10}\) 秒,一年累积下来可达数十微秒。这正是 GPS 卫星必须进行相对论修正的原因。

常见问题

在引力场中时钟走得更快还是更慢?更慢。处于引力势阱越深的位置,相对于远处时钟走得越慢。

如果 \(r\) 小于史瓦西半径会怎样?此时根号下的项变为负值;计算器会将膨胀因子钳制为 0,因为在事件视界以内,标准的外部公式不再适用。

这属于狭义相对论还是广义相对论?这是引力时间膨胀(属于广义相对论),与基于速度的狭义相对论时间膨胀是两回事。

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