相对论中的时空


相信很多人跟我一样,很早就接触过时空这个词,但是却从没有深究过它。
本文将基于自己最近的阅读简单和大家聊一聊时空这个概念,希望能激发大家对此类科学的兴趣,也希望有高人对此能指点一二。
在讲它之前,我想简单先聊几个概念。

狭义相对论

爱因斯坦的相对论相信绝大数朋友都听过。当然这一段也不是我们此处的核心。我这里只是简单介绍一下以方便后面对时空的描述。
狭义相对论是基于两个假设前提:

  • 光速在任何参考系内不变
  • 在任何惯性系内物理规律保持不变

    然后基于牛顿的物理定律和公司,加入这两个假设前提,爱因斯坦推导出狭义相对论的结论:

  1. 时间膨胀
  2. 空间收缩(如长度变短)
  3. 速度收缩
  4. 物体运动速度越大,质量越大
  5. 物质的能量m乘c平方

广义相对论

狭义相对论有他的局限性,10年后的广义相对论,爱因斯坦对狭义相对论进行扩展,将理论扩展到非惯性系,根据假设引力场和加速度是等效的(等效原理), 得到广义相对论的引力场方程。
广义相对论的核心思想:物质可以引起时空弯曲,然后物体在弯曲的时空内运动。

时空

简单介绍了相对论(感兴趣的推荐阅读《时间的形状》,后续我也会基于相对论进行思考和分享,欢迎一起讨论),我们引出这个时空概念。通俗的说,时空是时间和空间的结合,是不可分割的一体。爱因斯坦说:任何物体的运动速度都是光速c-在时空中(以下是我一些发散的思考,用列表的形式记录方便阅读)

  • 简单的说就是物体的速度可以分解到三维空间和时间维度,你的速度越快,你的时间维度就过得越慢。所以对光子来说是没有时间概念的。
  • 太神奇了!我们一直生活在三维的空间世界太久,但是现在,我们来到了四维的时空世界。只是因为我们在空间的速度相对光速而言太慢太慢,我们在时间维度造成的改变太微小。
  • 时空的概念打开了四维世界的大门,让我们对时间旅行有了新的期待。
  • 空间不可触摸,但是在我们的认知中他不像时间那样的神秘,但是现在我们并不将他们分开讨论。存在空间的地方自然需要考虑时间。我不禁想到,光在宇宙中的遨游那是怎样的一种体验,他感受不到时间,只是在快速的穿越空间,或者应该说,他并不能体会到两者的区别,他就像我们坐在高铁上在两地间飞驰,时间只是另外一个坐标轴,我们无法想象凌驾时间之上的旅程。
  • 时空是凹凸不平的,在时空中的运动也受这种弯曲影响,质量越大造成的时空弯曲效应越大;根据相对论速度越快质量越大,光的质量应该无限大,但是光子又是认为没有质量的…
  • 通过描述4维的时空物体的运动可以得到一个”超光锥””,理论认为事件存在影响的未来光锥和过去光锥,对光锥之外的时空无法造成影响,当然量子不在这个讨论的范畴(量子力学的学习和分享后续也会进行,欢迎一起讨论);
  • 我们说的时空更多的是描述三维空间+时间轴,但现代物理认为宇宙之中至少存在10维, 9维空间,加时间维度;有6维空间在基本梨子维度,目前的宏观宇宙暂时是无法进行观测描述的… 那么是不是这个时空在将来会进一步颠覆?
  • 虽然理论说物体的速度不能超过光速,但是我相信这一点也一定会在未来推翻(粒子的信息传递超光速)。那如果我们的速度超过了光速,我们的运动在这个时空将如何描述? 时间倒流(若时空弯曲形成莫比乌斯环,当前理论上是可以穿越回到回去的,当然也需要借助虫洞)? 时间的坐标轴是否也有方向就像长度坐标轴上的正负?希望有天这些疑问可以得到解答。

本文更多的是简单的介绍,欢迎一起讨论交流~


文章作者: Xudong Jiang
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