什麼是時空連續體?

Mondo 科學 更新 2024-01-31

“時空連續體”是相對論中出現的概念之一,大多數人都聽說過但並不完全理解,就像相關的公式e=mc2一樣。 科學文章使人們意識到了這兩種情況,但科幻小說和由此產生的文化基因使人們更加了解這兩種情況。 遺憾的是,時空比愛因斯坦的著名方程式更難理解,但這並不意味著任何沒有物理學學位的人都必須將其視為不可理解。

道格拉斯·亞當斯(Douglas Adams)在《生命、宇宙和萬物》一書中對“時空連續體中的漩渦”進行了有趣的討論。 幽默源於這樣一種想法,即人們經常聽說連續體,但並不真正知道它是什麼,比如雙關語和荒謬。

從某種意義上說,這個想法很簡單——時空是四維的東西,而不是三維空間,時間是完全不同的東西。 乙個事件在時空中由四個坐標表示:三個坐標基於事物發生的位置,相對於定義的原點,第四個坐標是它發生的時間。

儘管愛因斯坦通過相對論使時空概念變得至關重要,但物理學家多年來一直在研究統一時空的概念,將時間視為第四維,包括名稱的創造。 它們被光速(在真空中)束縛在一起,這確保了乙個事件的影響需要時間才能在其他地方體驗到。

大多數人遇到的問題是,我們對時間的體驗與長度、寬度和高度如此不同,以至於整個事情看起來很荒謬。 例如,如果我們意識到自己在某個特定方向上走得太遠了,我們通常可以轉身回去。 我們希望時間是一樣的。 厄休拉軍團狡猾地提出了時空連續體中時間很少的異常現象,因為時間似乎永遠不夠,同時指出在其他維度上也沒有觀察到同樣的情況。

物理學家很難解釋為什麼時間與其他維度如此不同。 然而,它作為第四維度的地位,儘管是乙個特殊的維度,是可以證明的。 我們也知道,時間與其他三個維度相關,如果沒有彼此,它們往往無法準確測量。

在我們日常生活中經歷的條件下,將空間和時間分開不是問題,這就是為什麼時空的概念如此違反直覺的原因。 然而,如果我們以接近光速的速度旅行,相對於對我們來說重要的東西,情況就會大不相同。

狹義相對論的乙個關鍵特徵是,與靜止觀察者的經驗相比,當接近光速時,時間會減慢。 同樣,在接近光速時,空間在運動方向上收縮。 這意味著,如果乙個人移動得很快,測量兩個事件,並將他們的結果與移動速度較慢的人進行比較,那麼他們在空間和時間上會得到不同的分離。 然而,使用光速在空間和時間單位之間進行轉換,兩個觀察者測量相同的時空距離(假設他們測量準確)。

此外,這種時空連續體可以被扭曲,例如,強大的引力可以像彎曲空間一樣影響時間。 雖然當愛因斯坦提出這個想法時是有爭議的,但現在可以通過將軌道上的時鐘與地球上的時鐘進行比較來驗證大質量扭曲時空的方式。

對脈衝星等大質量物體相互繞行運動的測量越來越準確地證實了廣義相對論的時空理論。 這些測量仍在進行中,部分原因是存在廣義相對論的替代理論。 然而,由於它們也接受時間作為乙個維度的本質,以及它與空間維度的連續性,它不會使時空無效,即使其中乙個替代方案最終被證明是優越的。

儘管如此,這些相互競爭的理論的存在反映了這樣乙個事實,即儘管我們知道時空連續體的存在,但我們對它知之甚少。 幾十年來,物理學家無法調和廣義相對論和量子力學一直是人們的痛點。 許多人認為量子化時空可能是解決方案,但到目前為止,還沒有人找到令人信服的解決方案。

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