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UC头条:广义相对论学说: 时空统一体由几个维度组成?

2020.02.06

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在你读到今天的今日奇迹时,你想到了什么?时空统一体会让你联想到源自电影星际迷航的星球大战和宇宙飞船中的光剑吗?

如果这样的话,那是正常的。像“时空统一体”这样的词听起来确实不像人话。实际上,它远非科幻小说。这其实是可以帮助解释我们存在基础的理论科学结构。

时空统一体这个想法源自阿尔伯特爱因斯坦想象丰富的成果。通过发展他独特、普适的相对论的过程中,爱因斯坦检验了与光速有联系的物理定律。

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爱因斯坦总结道时间和空间,与其说是相互分离和不相关的现象,不如说它们实际上是跨越多个维度交织的统一体(称为时空)。那么时空统一体有几个维度呢?

时空统一体包含四个维度:空间的三个维度(长度,宽度,高度……或者上/下,左/右,前/后,取决于你怎么去看待它们)和第四个维度——时间。爱因斯坦的相对论激励其他的科学家研究空间和时间的关系。

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这一切看起来是不是有点迷糊?如果是的话不用担心!时空统一体和爱因斯坦的相对论都是先进的科学思想,就连科学家们有时在理解它的意义和重要性是也存在着疑虑。先不深入令人困惑的细节,我们先看一下源于时空统一体的几个有趣的想法。

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图解:本图展示了球面上的点x的切空间。这个矢量空间可以看作ℝ3的子空间。其中的矢量则叫作“几何切矢量”。同理,平坦时空中任一点的切空间可以视为时空的子空间。

预想时空统一体的方法之一就是想象一大块布料,比如一张床单。爱因斯坦意识到有质量的物体,比如一个人或者地球,产生了时空扭曲。

想象在床单中间放一个保龄球。保龄球周围的地方会被压下去,在床单上产生一个凹陷。这些凹陷代表了时空统一体结构的弯曲。爱因斯坦将这些时空统一体中的弯曲定义为万有引力。

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图解:光锥是闵可夫斯基时空下能够与一个单一事件通过光速存在因果联系的所有点的集合。

那么这些弯曲是真的吗?尽管科学家们不能观测到或是测量时空,但是他们已经可以证实爱因斯坦预言的某些现象。比如光在经过质量很大的物体时,光迹会弯曲。这个现象也就是引力透镜,被正在使用引力透镜理论以研究被大质量星体挡住的星系、恒星或者其他星体的宇航员所观察到。

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图解:三维欧几里得空间中的每个点由三个坐标确定。

爱因斯坦也推理到时空的相对性也意味着一个运动中的物体会比其他(相对静止的)物体感受到的时间变得更慢。在地球上,我们运动的太慢了而观察不到这个现象。尽管科学家们已经证实了这个理论的正确性。

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图解:万有引力使行星按照自身的轨道围绕太阳运转

每一天,组成GPS的卫星与地球上的时钟相比会有约38微秒的延迟。如果没有内置校准使它们的时钟与地球的时钟保持同步,这会影响它们造成几英里的定位精度差。所以下次你使用GPS设备完成地理缓存时,你可以告诉你的朋友们你们的定位信息来自很接近的未来!

时空

在物理学中,时空是融合了三个空间维度和一个时间维度的四维统一体的不确定数学模型。时空图可以使对论效应可视化,比如为什么不同观测者对某一事件发生的时间和地点的观察结果是不同的。

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直到20世纪末,宇宙的几何假设还是三维的(它空间上用坐标,距离和方向来表示),没有时间的一个维度。然而,在1905年,埃尔伯特爱因斯坦开创性的工作基于他的狭义相对论并做出了两个假设:(1)物理定律在所有惯性系(也就是非加速参考系)中是保持不变的(也就是完全相同的);(2)真空中的光速与光源的速度无关,对所有观测者都是以相等的。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. 半叶飞舟-

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