什么是时空连续体?

小夏 科学 更新 2024-01-31

“时空连续体”是相对论中出现的概念之一,大多数人都听说过但并不完全理解,就像相关的公式e=mc2一样。 科学文章使人们意识到了这两种情况,但科幻小说和由此产生的文化基因使人们更加了解这两种情况。 遗憾的是,时空比爱因斯坦的著名方程式更难理解,但这并不意味着任何没有物理学学位的人都必须将其视为不可理解。

道格拉斯·亚当斯(Douglas Adams)在《生命、宇宙和万物》一书中对“时空连续体中的漩涡”进行了有趣的讨论。 幽默源于这样一种想法,即人们经常听说连续体,但并不真正知道它是什么,比如双关语和荒谬。

从某种意义上说,这个想法很简单——时空是四维的东西,而不是三维空间,时间是完全不同的东西。 一个事件在时空中由四个坐标表示:三个坐标基于事物发生的位置,相对于定义的原点,第四个坐标是它发生的时间。

尽管爱因斯坦通过相对论使时空概念变得至关重要,但物理学家多年来一直在研究统一时空的概念,将时间视为第四维,包括名称的创造。 它们被光速(在真空中)束缚在一起,这确保了一个事件的影响需要时间才能在其他地方体验到。

大多数人遇到的问题是,我们对时间的体验与长度、宽度和高度如此不同,以至于整个事情看起来很荒谬。 例如,如果我们意识到自己在某个特定方向上走得太远了,我们通常可以转身回去。 我们希望时间是一样的。 厄休拉军团狡猾地提出了时空连续体中时间很少的异常现象,因为时间似乎永远不够,同时指出在其他维度上也没有观察到同样的情况。

物理学家很难解释为什么时间与其他维度如此不同。 然而,它作为第四维度的地位,尽管是一个特殊的维度,是可以证明的。 我们也知道,时间与其他三个维度相关,如果没有彼此,它们往往无法准确测量。

在我们日常生活中经历的条件下,将空间和时间分开不是问题,这就是为什么时空的概念如此违反直觉的原因。 然而,如果我们以接近光速的速度旅行,相对于对我们来说重要的东西,情况就会大不相同。

狭义相对论的一个关键特征是,与静止观察者的经验相比,当接近光速时,时间会减慢。 同样,在接近光速时,空间在运动方向上收缩。 这意味着,如果一个人移动得很快,测量两个事件,并将他们的结果与移动速度较慢的人进行比较,那么他们在空间和时间上会得到不同的分离。 然而,使用光速在空间和时间单位之间进行转换,两个观察者测量相同的时空距离(假设他们测量准确)。

此外,这种时空连续体可以被扭曲,例如,强大的引力可以像弯曲空间一样影响时间。 虽然当爱因斯坦提出这个想法时是有争议的,但现在可以通过将轨道上的时钟与地球上的时钟进行比较来验证大质量扭曲时空的方式。

对脉冲星等大质量物体相互绕行运动的测量越来越准确地证实了广义相对论的时空理论。 这些测量仍在进行中,部分原因是存在广义相对论的替代理论。 然而,由于它们也接受时间作为一个维度的本质,以及它与空间维度的连续性,它不会使时空无效,即使其中一个替代方案最终被证明是优越的。

尽管如此,这些相互竞争的理论的存在反映了这样一个事实,即尽管我们知道时空连续体的存在,但我们对它知之甚少。 几十年来,物理学家无法调和广义相对论和量子力学一直是人们的痛点。 许多人认为量子化时空可能是解决方案,但到目前为止,还没有人找到令人信服的解决方案。

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