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星际扭曲科学(4/6):时间膨胀和彭罗斯过程

上一篇文章的续集 星际扭曲的科学(3/6)

2014年11月,好莱坞大片和科幻电影 星际 被释放在屏幕上,并引起了许多媒体上的兴奋。
这是我专为分析电影的某些科学方面而撰写的一系列6篇文章中的第四篇,摘自我去年春天在2004年发表的一篇论文 推论:国际科学评论.

巨大的时间推移

时间的弹性是相对论的主要结果,据此,相对于两个观察者而言,时间以相对加速度运行的方式有所不同-或根据等价原理,其在不同强度的引力场中移动。这种众所周知的现象经过实验性的高精度检验,被称为“时间膨胀”。

着名的"smooth watches"萨尔瓦多·达利(Salvador Dali)提出的一个很好的比喻是爱因斯坦的相对论理论所预言的时间弹性。
着名的“smooth watches”萨尔瓦多·达利(Salvador Dali)的著作是爱因斯坦(Einstein)预测的时间弹性的一个很好的隐喻’s relativity theory.

因此,靠近黑洞的事件视界,在黑洞的引力场很大,时间膨胀也很大,因为与更远的时钟相比,时钟将大大减慢速度。这是该场景中最令人震惊的元素之一 星际 :据称在如此接近Gargantua的水行星上,行星参考系中的1小时对应于远离黑洞(例如地球上)的观测者参考系中的7年。这对应于60,000的时间膨胀系数。尽管当时钟趋向事件视界时,时间膨胀趋向于无穷大(这正是为什么没有信号可以使其到达任何外部观察者的原因),但乍一看,对于绕黑轨道运行的行星来说,高达60,000的时间膨胀似乎是不可能的在一个稳定的轨道上。

正如索恩(Thorne)在其受欢迎的书中所解释的那样,如此大的时间扩张是电影导演出于故事需要的“不可商议”要求。凭直觉,即使是广义相对论专家,也无法通过行星掠过事件视界并安全地承受相应巨大的引力来调和巨大的时差。但是,索恩进行了几个小时的计算,得出的结论是,实际上这是可能的(尽管可能性很小)。关键是黑洞的旋转。用Kerr度量描述的旋转黑洞的行为与用Schwarzschild度量描述的静态黑洞的行为大不相同。从Kerr度量导出的时间膨胀方程采用以下形式:

1 –(dτ/ dt)2 = 2GMr/c22,哪里2 = r2 + (J/Mc)2cos2θ。

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