為什么黑洞會讓時間變慢？

有質量的物體周圍，時間流速會變慢，包括黑洞，這是廣義相對論推導出來的結論，這且已經被實驗所證實。

大家對于運動的物體時間會變慢這一結論幾乎已經耳熟能詳，而對于有質量物體，比如黑洞，為何會導致時間變慢卻總是一頭霧水。大多數人也只是記住一個這樣一個結論，至于深層次的原因從未好好想過。今天我們就講解一下有質量物體周圍，時間流速為何變慢：

愛因斯坦再提出狹義相對論之后，發現引力無法被納入其中。故而他又潛心研究了物體的質量問題，愛因斯坦發現物體的慣性質量和引力質量是相等的，也可以說是等同的，于是愛因斯坦設想引力本身不是一種力，而是時空的幾何彎曲導致的，引力不過是一種時空的幾何效應而已。基于此，愛因斯坦推導出來了廣義相對論下的引力場方程：

此方程是一個二階線性偏微分方程，涉及到了時空的彎曲效益。在宇宙中，時空的彎曲程度取決于物質的質量動量密度在時空中的分部。大質量的物體會導致時空負彎曲，這個彎曲即包括空間，也包括時間。空間彎曲是“凹陷式”，而時間則是流速變慢。

當然，僅僅依靠一句簡單的質量導致時空彎曲，因而時間變慢的解釋，很多人還是不明就里。這里我們不妨想象一下：有質量物體導致了空間彎曲，就類似于把平坦的空間壓的“凹陷”了，而“凹陷”的結果就是原來空間長度“壓縮”了。比如我們如果站在高維空間看黑洞，黑洞周圍的空間維度好像都被壓縮了一樣，其和黑洞上方的空間尺度比例不是1:1的關系了。如果定義黑洞附近空間A,B兩點測地線距離是1，那么在黑洞更遠處C點看則對應的可能是100。即黑洞附近處和遠處的空間曲率不一樣，也導致了空間長度測量的不一樣。這樣，一個人小王在黑洞附近從A點走到B點，小王感覺自己就是經過了1的長度，一切都正常，但是在黑洞C點處看小王則是經過了100的長度。這樣，C點測量的小王走動的時間就要長上很多，也就是說，C處需要經歷更多的時間，才能夠看到小王從A點到B點。顯而易見，C點處的時間流速明顯比黑洞附近的快。

這個效應還可以用引力紅移說明，如果在黑洞視界附近向往發出一束光，則這時光在攀爬空間凹陷區域時，會消耗掉自己的能量。這樣，光子的頻率就會變低，波長就會變長。也就是說，本來只有N納米的光，等遠離黑洞飛行一段距離后，波長變成了N+dx（dx>0）納米。很明顯，黑洞附近的空間長度比上黑洞遠處的要大于1，即空間是被壓縮的。而光頻率的降低，就表明周期被拉長。這就說明在黑洞附近光完成一個振動周期的時間只需要t，而在黑洞遠處看來，光完成這個振動周期需要比t多得多的時間（頻率變慢），由此可見，黑洞遠處的時間流速更快。