博文
爱因斯坦与关于维的科学
|||
在前一篇约会的例子中，如前所述，必须同时约定会面的地点和时刻。
但是，即使约定了会面的时刻，
倘若【张三】和【李四】两人的【时间流】快慢不一致，那结果又会如何？
按理说，在这种情况，两人就难确保能够如约相会。
19世纪末以前的物理学家都坚信“不可能有这样的事情”
英国物理学家艾萨克·牛顿（1642－1727）认为，“空间和时间都是绝对的，对于任何人，
空间标度和时间标度都是相同的”。
空间和时间不可能由于观测立场不同而有差别。在当时，这是物理学的基本常识。
然而，到了1905年，出现了一种革命性的理论，推翻了这种常识。
这就是出生在德国的物理学家阿尔贝特·爱因斯坦（1879－1955）所提出的“狭义相对论”。
爱因斯坦认真思考了光的传播特性，结果提出，“任何人所看见的光的速度都是一定的，不会变化”。
这样，爱因斯坦经抛弃了牛顿的“空间和时间是绝对的”观念，
而大胆假定“在我们这个宇宙，只有光束是绝对的”。
按照这个假定进行推理，爱因斯坦最后得到一个惊人的结论：
“空间和时间会由于观测立场不同而伸长或收缩”。这就是狭义相对论。
这个理论预言，时间确实能够如像前面两人约会例子中设想的那样，
可以对于不同的观察者有所不同。
按照狭义相对论，时间发生伸长或收缩时，空间必定也要发生伸长或收缩。
换句话说，空间和时间具有不可分割的关系。
爱因斯坦经这样把宇宙所具有的三维空间和一维时间视为一个整体，
并称之为“四维时空”。
这里的“时空”译自英语“space-time”，是空间和时间的统称。
将空间和时间整合在一起，爱因斯坦提出“四维时空”
爱因斯坦在发表了狭义相对论以后，对自己的这个理论仍不满意。
这是因为，狭义相对论还无法处理牛顿所说的万有引力。
爱因斯坦继续研究，设法将狭义相对论推广使之也能够处理引力。
他最后所建立的理论不仅可以处理引力，而且还说明了引力的来源。
这就是爱因斯坦在1915年和第二年所完成的“广义相对论”。
广义相对论是用“四维时空的弯曲”（三维空间弯曲和时间变慢）来说明引力的作用。
比如说，关于牛顿的传说中“苹果掉落”这件事，广义相对论是以如下方式解释的。
“由于地球的存在，其周围的四维时空发生了弯曲。位于地球周围的苹果于是经沿着时空的弯曲部分像溜下斜坡那样向地球移动”。
那么，“四维时空弯曲”是什么意思呢？
在前面曾说过，直线和曲线都是一维的。还谈到，平面和曲面都是二维的。
那么不难理解，三维空间或四维时空也应该有“平直的”和“弯曲的”两种不同情况，
尽管想象弯曲的三维时空或四维时空比较困难。
四维时空的弯曲是引力的本质。
地球表面是一个二维球面。
但是，相对于我们人来说，地球是太大了，因此我们的感觉，地面就像是一个平面。
同样的道理，四维时空虽然是弯曲的，但是相对说来，这种弯曲程度是太小了，我们难以实际察觉到这种弯曲。
没有什么引力，有的只是“四维时空的弯曲”
小结
利用“时空图”表示四维时空
用来表示四维时空的图解叫做“时空图”
在时空图上，三维空间被改画成许多二维平面，而时间轴就画在与这些用二维来表现的空间相垂直的方向。
“时间矢”的方向则是从下指向上。也就是说，规定时间从下（过去）向上（将来）流动来画出时间轴的指向。
在时空图上表现地球的公转运动，地球经应该是沿着螺旋线向上（将来）爬升。
这种“用二维面来代替三维空间的表现方法”也可以用来形象表示四维和四维以上的世界。
闵可夫斯基时空图上的四维时空
在狭义相对论中只有“光速”是绝对的。
德国数学家赫尔曼·闵可夫斯基（1864－1909）以光速为绝对标准
设计出另一种表示四维时空的时空图，被称为闵可夫斯基时空图。
在闵可夫斯基时空图上，
设定时间轴上每一个刻度代表一年，
而其空间轴上的每一个刻度代表一光年（光经过一年所行进的距离），
于是光的行进轨迹在图上就是一个倾角为45°的圆锥。这个圆锥叫做“光锥”。
由于任何一种运动都不可能超过光速，“影响到现在的过去的一切事件”和
“现在将影响到将来的一切事件”全部位于此光圆锥的内部。
什么是狭义相对论？
从接近光速进行的飞船外部观察的情形。
位于飞船中央的光源在某个时刻向周围发出光信号。
从外部看，光信号先到达飞船的后端，要迟一会儿才到达前端。
但是，光速度对于任何人都是不变的（光速不变原理），
对于飞船内部的观测者，A和B应该同时，
“两方观测者的观测结果都是正确的”，这就是狭义相对论。
由此得到结论：飞船内部的时间标准和空间标准同飞船外部是不相同的。
“广义相对论”对引力作用的说明
按照爱因斯坦的广义相对论，在具有质量的物体周围，时空发生了弯曲。
两个具有质量的物体因时空弯曲而移动靠近，这就是引力。
天体质量越大，周围时空的弯曲也越厉害
具有质量的天体，周围的四维时空发生弯曲。
而且，天体的质量越大（严格说来应该是密度越大），周围时空的弯曲也越厉害。
大质量的恒星在其寿命即将结束前会发生收缩，变成密度无限大的“天体”，
使周围的时空发生极度弯曲。这就是黑洞。
那里的时空弯曲得太厉害，以至于连光也无法脱离引力的束缚而逃出。
弯曲空间的几何学
按照欧几里德《几何原本》建立起来的几何学只适用于平直空间，而不适用于弯曲空间。
适用于弯曲空间的几何学是“非欧几里德几何学”。
扩展阅读：
维与时间 <＝＝ ★ ＝＝> “终极理论”与“维”
https://wap.sciencenet.cn/blog-278395-410957.html
上一篇：“三维”的特性
下一篇：“终极理论”与“维”
扫一扫，分享此博文