太阳系有年龄吗?恒星也有年龄吗?时间是否会准确告诉我们?

太阳系有年龄吗?恒星也有年龄吗?时间是否会准确告诉我们?

提问:我是一名新生天文学家,我想知道的是:宇宙微波背景研究的结果似乎已经是一些天文学家们相信宇宙已经存在了138亿年。然而,这听起来很像绝对时间。如果用不同的方式在不同的框架中去衡量时间,那么宇宙就不会只有一个年龄。

回答:由欧空局的普朗克卫星所观测的宇宙微波背景辐射

或者,同样来说,最古老的陨石似乎意味着45.6亿年的绝对年龄。但是,如果同一个时钟根据其与太阳的距离以不同的速率走着,那么怎么样才能让这个时钟的时间成为太阳系的年龄呢?比如说,来自水星的陨石难道不应该因为走得更慢的放射性时钟而显示出更年轻的年龄吗?非常感谢。

哈勃常数,是宇宙学中最重要的常数之一。哈勃常数越大,宇宙移动的速度越快,宇宙也越年轻。根据哈勃常数70,普遍接受的宇宙年龄是137亿岁。

这是一个及其有趣的问题。没错,因为在广义相对论中,引力场的时钟运行得更慢。距离太阳较近的岩石上的时钟会比距离太阳较远的岩石上的时钟运行得慢,因此,从理论上讲,水星上的岩石会更年轻。然而,如果你真的计算出速率的差异,那么即使在整个太阳系的历史上,这也是很小的影响。

太阳的质量使空间产生了弯曲。宇宙有不同势能的区域会导致时间以不同的速率度过的现象,引力导致的时空扭曲率越大,时间就过得越慢。

举个例子,如果我用简单的运算(假设对太阳来说是没问题的一个薄弱的引力场)来计算太阳表面的时间膨胀,然后,我就会发现太阳表面上的时间与外太空的时间相比,慢了6秒每年。比如说,实际上,岩石在距离水星和小行星带之间的时间差异将会小于每年6秒,并且这个时间差异会是你对整个太阳系所期待的最大值。就让我们使用一下这一个数字,看看会发生些什么。

电影《星际穿越》中的米勒星球处在黑洞的临界点,由于黑洞的引力强大,时间变慢就非常明显了,上面的一小时等于地球的七年。

我们认为太阳系的年龄约为45亿年,因此在这段时间内,太阳表面的时间与外太空的时间之差约为850年。由于这个差异实际上是低于整个太阳系各处之间的差异的,因此真实数字甚至应该更小。我们不知道太阳系的年龄要精确到几百年,尽管那会是一件令人印象深刻的事。

我们所有的科技测年技术都会有错误,而且我们测定时间的陨石可能会在稍微不同的时间形成。此外,已经绕太阳运动的(火星及木星轨道间的)小行星可能将会改变其放射性时钟的运行速度。因此我猜,我理论上讲,广义相对论的影响在将来可能会限制我们对太阳系物质的测定,但是我认为我们可能需要一些令人惊叹的技术才能解决这一难题。(我想如果行星科学家在测定时间时不得不担心这一点,他们将会非常开心的!)

诺贝尔物理学奖获得者亚当·里斯在NASA超大太空望远镜得出的数据分析出哈勃常数值为74。而后另一个团队抛弃传统再次针对宇宙进行测量,最终得出哈勃常数值为82.4,而这意味着这次测量出来的宇宙年龄只有114亿年。

相同的论点适用于宇宙。尽管宇宙的年龄要大得多,但我们在认为它的真实年龄方面存在着更大的错误。我们从太阳引力环境中测量物体的事实只会给我们带来很小的测量误差。是的,根据参考框架的不同,物体的年龄也会有所不同,但是影响很小,以至于它无法同我们测量能力上的不精确性相提并论。

时间膨胀

根据相对论的理论,时间膨胀是两个观察者测量不同的运行时间的差异,这种差异要么是因为彼此之间速度相差,要么就是因为所处引力场的相对位置不同所致。由于时空的性质,相对于观察者移动的时钟观察起来会比静止在以观察者自己为参考框架的时钟运行慢。受引力场强于观察者所处位置影响的时钟被测量起来也会比观察者自己的时钟慢。

这样的时间膨胀已经被反复证明,例如,原本是一对原子钟中的其中一个被送去太空旅行后,与另一个原子钟发生了细小的差异变化,或者,在航天飞机上的时钟走得比地球上的时钟要慢,又或者,在GPS和伽利略卫星上的时钟会比地球上的时钟走得稍微快一些。时间膨胀也一直是科幻小说的主题,因为从技术上来说,它为提出时间旅行提供了方法。

现在的卫星往往要根据相对论对时间进行修正,比如离地2万千米高度的GPS卫星在以1.4万千米每小时的速度高速飞行。按照狭义相对论的运动的钟变慢,它每天慢7微秒;按照广义相对论,处在距离地面2万千米的弱引力场中,卫星每天会快45微秒。如果不对此进行修正,会限制导航的精度。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. astro-Lynn Carter- LI SAYAORAN

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