科学家探究地球内部构造的方法(物理学家发现地球表面要比地球中心更古老)

科学家探究地球内部构造的方法(物理学家发现地球表面要比地球中心更古老)(1)

关于地球有一个不为认知的一面:地球中心比地球表面年轻两年半。但这与地球的形成方式无关,而是由于广义相对论所描述的引力效应。

根据爱因斯坦的广义相对论,在引力场中的时间流逝速度会发生改变,这种效应被称为引力时间膨胀。换言之,引力越强,时间流逝越慢,这是因为引力弯曲了时空。事实上,引力时间膨胀效应已被严格测试过,它对全球定位系统(GPS)的卫星产生影响。

科学家探究地球内部构造的方法(物理学家发现地球表面要比地球中心更古老)(2)

为了计算这个年龄差异,研究团队首先计算出地球中心和表面的引力势差——衡量一个有质量的物体从一个位置移动到另一个位置时引力所做的功。然后,物理学家把这个引力势差带入到广义相对论的方程中,得到了时间膨胀因子大约为0.0000000003,这意味着地球中心的每秒要比在地球表面上慢0.0000000003秒。

似乎这个时间差极其微小,但要知道地球年龄高达四十五亿年,所以时间膨胀的累积效应加起来相差大约一年半。

不过,这个计算采用的是理想化模型,即物理学家假设地球具有一个均匀的密度。然而,实际情况并非如此,地核的密度要比地幔密度大得多(地核占地球的体积16%,而质量占比达到31%)。进一步,物理学家采用更实际的地球密度模型,结果发现地心和地表的年龄差异实际上是两年半。

科学家探究地球内部构造的方法(物理学家发现地球表面要比地球中心更古老)(3)

广义相对论的引力场方程

当然,这个数字无法通过实验来证实。然而,迄今为止,广义相对论经受住了所有的检验,所以这很可能是正确的。

物理学家表示,目前还不清楚费曼是否最初就弄错了,或者他的讲课在记录时弄错了——把单位从年误写为天。无论如何,地球中心的年龄肯定要比地球表面年轻,因为地心深处的时空弯曲更为强烈。

此外,研究团队通过计算还得出,太阳的中心比它的表面年轻约40,000年。这些结果给“年轻的心”赋予了一个全新的意义。

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