相对论时空观的理解

虽然本人自中学起,一直对物理化学就很感兴趣,本小站也有一个银河系的随机Header图片,但写一篇对这方面理解的文章,这还是头一次。

这几天,关于个人的前途考虑太多,心神有些恍惚。打开之前从好友那里拷贝过来的一段视频看了看,是Discovery的一集《Into the Universe with Stephen Hawking》,通常翻译为《和霍金一起探索宇宙——时间旅行》。看完之后便随意翻了翻时间简史,发现中学和大学时候学的近代物理计算题还是面太窄太幼稚了,当时对相对论的时空观理解也并不深刻。下面就对今天的部分理解随手整理一下。

其实,个人觉得对时间和空间的理解源于运动学的一个简单公式s=v*t,即距离=速度x时间。

在伽利略之前,亚里士多德认为速度和力有着直接关联,重力越大的物体会使得运动速度更快。而伽利略用实验证明了,力不是维持运动状态的要素,而是改变运动状态的原因。牛顿则更进一步,给出了力与运动之间关系。

牛顿与伽利略、亚里士多德的观点有一个不一样的地方是:后者相信存在一个优越的静止状态,任何没有受到外力和冲击的物体都采取这种状态。特别是他以为地球是静止的。但是从牛顿定律引出,并不存在一个静止的唯一标准。人们可以讲,物体A 静止而物体B 以不变的速度相对于物体A 运动,或物体B 静止而物体A 运动,这两者是等价的。如果一个人在火车上以运动的物体做实验,所有牛顿定律都成立。例如,在火车上打乓乒球,将会发现,正如在铁轨边上一张台桌上一样,乓乒球服从牛顿定律,所以无法得知是火车还是地球在运动。

……

还有很重要的一点就是:亚里士多德和牛顿都相信绝对时间。也就是说,他们相信人们可以毫不含糊地测量两个事件之间的时间间隔,只要用好的钟,不管谁去测量,这个时间都是一样的。时间相对于空间是完全分开并独立的。

这就是在解释光速之前的对时间和距离等概念的绝对时空观。

按照这种时空观,对类似汽车相对于地面速度是v1,而汽车上先前行走相对于汽车速度v2,则汽车上行走的人相对于地面速度是可以累加的,即v1+v2。这在解释光速的时候出现了问题。

按照如上理论,我们都知道光速是大概3×10^8m/s,但这又是相对于什么的呢?

关于光的相对速度问题,在19世纪末有著名的迈克尔逊-莫雷实验,具体实验描述可参见这里。实验结论是,不论地球运动的方向同光的射向一致或相反,测出的光速都相同。

后来,爱因斯坦在1905年提出的理论解释了这点,就是光速不变!即如果用s=v*t这个公式,v竟然是一个不变量。基于此,爱因斯坦阐述了他的相对时空观,给出了狭义相对基本原理:

  • 光速不变,在所有惯性系中,真空中的光速都是299 792 458 m/s,与光源运动无关。
  • 狭义相对原理,在所有惯性系中,物理定律有相同的表达形式。

除此之外,狭义相对论还包括洛伦兹变换、时间膨胀、长度收缩、同时的相对性以及相对论下的质量、能量、力、电磁场等相关理论。

对于狭义相对时空观的个人理解:

  • 我们的世界是一个四维空间,包括我们欧式几何所说的长宽高三维和时间维度。当然超过三维的东西,人脑想象有些难度。
  • 我们现在所能看到的东西都是历史状态,因为世界上最快的光速也是特定的,它从光源或者反射源到我们的眼睛也是有时间的,虽然身边的人和物离我们很近
  • 我和身边的人各自有各自时间观念,即使是离得很近的两个人也都有各自的时间测量,我们之间的同时性也是相对的,只不过光速很快,我们很近,所以差异很小

然而,按照上面所说的,我们的现实世界还有一些问题需要讨论。比如几乎被实践验证的牛顿万有引力定义。既然世界上最快的光速无法超越,那么两个物体的位置发生变化的同时,是否他们之间的引力就立刻也发生变化了呢?这个变化是否也有时间延迟?对于这个同时性又是如何解释呢?地球绕太阳做圆周轨道运动又是为什么呢?

爱因斯坦于是又有了广义相对论,引入了引力相关的内容。

经典力学中由引力引起的现象,在广义相对论中对应着在弯曲时空中的惯性运动,即没有所谓外来的引力使得物体的运动偏离它们原本的自然直线运动路径。引力本身是时空属性的几何学改变,使处在其中的物体沿着时空中最短的路径作惯性运动;而反过来时空的曲率是由处在时空中的物质的能量-动量张量改变的。简单地说就是:时空告诉物体如何运动,物体告诉时空如何弯曲。

弯曲的时空

读了《时间简史》之后对广义相对论的个人理解:

  • 我们的身处的世界是一个四维空间,物体在这个空间中并没有经典力学中引力的概念使他们改变的直线运动状态,他们一直是在四维空间中沿着最短路径做直线运动
  • 四维空间受存在其中的物质的质量影响,四维几何属性改变,可以表现弯曲,我们抛开时间维度,以三维的视角来看,物体在做曲线运动
  • 光也一样,在四维空间中做直线运动,但在我们的三维视角来看,它会因为质量等原因走曲线
  • 我们感到的时间流逝受空间中物体的质量影响,因为光的波特性

本人关于相对论的理解暂时就这些,比较粗浅。而且本人也不是物理专业的,只是偶尔来的兴趣对这个做一些了解并整理小结,如果文中有理解不对或者描述不恰当的地方还请高人指出,我先在这里谢过。

用《时间简史》中表达的意思说,物理科学一直在发展,理论也在一直变化完善,但基本概念大概就是这个样子。对于神秘宇宙探索的新结果和穿越时空的可能,让我们接下来一起期待吧!

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