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时空究竟是什么?相对论为你揭晓答案

2020-12-12新闻14

这个问题会让你联想到什么?“时空连续统”这个词会不会勾勒出星球大战中 光剑的样子?或者是星际穿越中飞船的形象?

如果是这样,你的想法在正常不过。“时空连续统”听起来不像是存在于我们世界中的事物。但事实上,它绝不是只在科幻小说中存在的东西,它是一个可以解释我们存在根本的,理论科学的构架。

时空连续统的概念是从阿尔伯特·爱因斯坦开创性的研究诞生的。在发展他的广义相对论时,爱因斯坦研究了物理定律与光速的关系。

爱因斯坦的结论是,空间与时间并不是两个分开的现象,而是交叉在同一个连续统上,并跨越了好几个维度。时空连续统究竟有几个维度呢?

时空连续统共有四个维度,三维的空间(长、宽、高,或者说上下、左右、前后,取决于你是如何思考的)加上第四维的时间。爱因斯坦的相对论,极大地激励了其他科学家对于时间与空间的关系进行研究。

这些关于时空的东西是不是令你感到困惑?如果是这样的话,别担心。时空连续统和爱因斯坦的相对论都是非常前沿的科学理论,甚至连专业人士也会有摸不着头脑的时候。避开令人费解的细节,然我们聊一聊几个从时空连续统衍生的冷知识。

想象时空连续统的一种方式是将它看作一张布,爱因斯坦意识到带有质量的物体,例如一个人或者地球,会在导致时空的畸变。

想象在一块布中央放了一颗保龄球,球体四周的布料会被下压,在保龄球的位置形成一个低地。这个低地就代表时空连续统的弯曲。而这些弯曲,根据爱因斯坦的理论,就是重力。

但这些弯曲是真实的吗?虽然科学家们不能观测或测量时空,他们可以确认爱因斯坦预测的现象发生了。例如,光线会在经过大质量物体附近时弯曲。这一现象被称为引力透镜效应,并被天文学家用于学习本被其他天体遮盖住的星系。

爱因斯坦还猜测, 因为时空的相对性,一个运动中的物体所体会到时间的流逝比起静止的物体要缓慢。在地球上,我们运动的速度太小,以至于观测不到这一现象,但科学家们已将它证实。

每一天,GPS所用的卫星比地球多了38微妙,如果不是有内在的装置来调整时间,将会导致几公里的误差。所以下一次出行,你可以告诉你的同伴们,GPS所提供的信息来自未来。

时空

在物理中,时空是任何将三维的空间与一维的时间结合在一起,形成一个四维时空的数学模型。时空图像可以将相对论的影响可视化,让我们清晰地看到为什么不同观测者对同一件现象所发生的位置与时间有不同的看法。

一直到二十世纪初,人们认为三维的空间(被坐标,长度,方向所表示)与一维的空间是两个独立的个体。但在1905年,阿尔伯特·爱因斯坦,根据他开创性的相对论,提出了两点猜测:第一,在所有惯性参考系(匀速运动的观测框架)下,物理守则不变(在各处一致);第二,光速真空中的速度保持一致,无论观测者相对光源的速度。

作者: wonderopolis

FY: mjr

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#科学#时空#相对论

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