怎样思考相对论
发布时间：2022-11-18 10:30:15 所属栏目：外闻 来源：未知
导读： 肖恩·卡罗尔（Sean Carroll）是一位美国理论物理学家，加州理工学院沃尔特·伯克理论物理研究所教授，圣菲研究所客座教授，主要研究方向是量子力学与引力，多本畅销书的作
|
肖恩·卡罗尔（Sean Carroll）是一位美国理论物理学家，加州理工学院沃尔特·伯克理论物理研究所教授，圣菲研究所客座教授，主要研究方向是量子力学与引力，多本畅销书的作者，主要作品有《寻找希格斯粒子》、《大图景：论生命的起源、意义和宇宙本身》、广义相对论研究生水平的教科书《时空与几何》等。 卡罗尔最近的一本新书上市，名为：《宇宙中最大的想法：空间、时间和运动》（The Biggest Ideas in the Universe: Space, Time, and Motion）。这本书深入浅出地讲解现代物理学的基本思想，特别是引导读者掌握爱因斯坦用来描述他的广义相对论的方程式。下面，我们介绍在这本新书中卡罗尔关于如何思考相对论的简单解释。 在牛顿物理学中，空间和时间有其独立的特性，从来没有人把它们合在一起。随着20世纪初相对论的提出，谈论时空几乎成为不可避免的事情。在相对论中，空间和时间不再具有独立的、客观的含义。真正存在的是时空，而把它切割成空间和时间只不过是人们有用的惯例。 相对论之所以有难以理解的名声，主要原因之一是我们的直觉训练我们把空间和时间视为独立的东西。我们体验到物体在"空间"中的程度，而这似乎是一个相当客观的事实。最终，这对我们来说就足够了，因为我们通常以远低于光速的速度穿越空间，所以在相对论以前的物理学是可行的。 但是直觉和理论之间的这种不匹配，使得向时空视角的飞跃有些令人生畏。更糟糕的是，相对论的介绍往往采取自下而上的方式，即是从我们日常的空间和时间概念开始，在相对论的新背景下改变它们。 在这本书里，我们将有点不同。我们进入狭义相对论的途径可能被认为是自上而下的，从一开始就认真对待统一时空的想法，并看看这意味着什么。我们将不得不稍微扩展一下我们的大脑，但其结果将是对我们宇宙的相对论观点有更深的理解 相对论的发展通常归功于爱因斯坦，他为一座理论大厦提供了顶层，而这座大厦自麦克斯韦在19世纪60年代将电和磁统一为单一的电磁学理论以来，就一直在建设之中。麦克斯韦的理论解释了光是什么，这是电磁场中的一种振荡波，并且似乎对光的传播速度有特殊的意义。对于当时的科学家来说，场本身存在的想法并不完全直观，很自然地想知道在光波中究竟是什么在"舞动"。 不同的物理学家研究了光通过一种被他们称为光以太的介质传播的可能性。但没有人能够找到任何这样的以太的证据，所以他们被迫创作了越来越复杂的理由，说明这种物质应该是无法检测到的。爱因斯坦在1905年的贡献是指出，以太已经完全没有必要，没有它我们可以更好地理解物理学定律。我们所要做的就是接受一个全新的空间和时间概念。 爱因斯坦的这个理论后来被称为狭义相对论。在他的基础性论文《论运动物体的电动力学》中，他提出了关于长度和时间的新思维方式。他解释了光速的特殊作用，认为宇宙中有一个绝对的速度极限，即光在空旷的空间中运动时恰好达到的速度，并且每个人，无论如何运动，所测量到的这个速度都是一样的。为了解决这个问题，他不得不改变我们对时间和空间的传统观念。 在20世纪初。狭义相对论的领域在今天被称为闵可夫斯基时空。赫尔曼-闵可夫斯基是爱因斯坦以前的大学教授。闵可夫斯基时空主张将空间和时间合并为一个单一的统一时空。 一旦有了将时空视为一个统一的四维连续体的想法，就可以开始问关于其形状的问题。时空是平的还是弯的，是静态的还是动态的，是有限的还是无限的？闵可夫斯基时空是平坦的、静态的和无限的。 爱因斯坦花了十年的时间来了解引力如何能被纳入他的理论中。他最终的突破是意识到时空可以是动态的和弯曲的，而这种弯曲的效果就是我们所经历的 "引力"。这个灵感的成果就是我们现在所说的广义相对论。 因此，狭义相对论是关于固定的、平坦的时空的理论，没有引力；广义相对论是关于动态时空的理论，其中曲率产生了引力。这两种理论都算作"经典"理论，尽管它们取代了牛顿力学的一些原则。对物理学家来说，经典并不意味着"非相对论"；它意味着 "非量子"。在相对论的背景下，经典物理学的所有原则都是完整的。 我们应该乐意放下我们在相对论之前对空间和时间的分离性的喜爱，允许溶入时空的统一领域。达到这个目的的最好方法是更仔细地思考我们对"时间"的认知。而做到这一点的最好方法是再次回到我们对空间的看法。 考虑空间中的两个地点，比如你的家和你最喜欢的餐馆。它们之间的距离是多少？ 嗯，这取决于，你立即会想到。如果我们可以想象在这两点之间走一条完美的直线路径。但也有你在现实世界中旅行的距离，也许你被限制在公共街道和人行道上，避开沿途的建筑物和其他障碍。你走的路线总是要比直线路径的距离长，因为直线是两点之间最短的距离。 现在考虑时空中的两个事件。在相对论的技术术语中，一个"事件"只是宇宙中的一个点，由空间和时间中的位置指定。一个事件，称之为A，可能是"下午6点在家里"，而事件B可能是"下午7点在餐馆"。你不能急于早点到达B，如果你在6点45分到达餐厅，你可能会不得不坐着等待，直到晚上7点才能到达我们标记为B的时空事件。 现在我们可以问自己，就像我们对家和餐馆之间的空间距离所做的那样，这两个事件之间有多少时间间隔。 你可能认为这是一个棘手的问题。如果一个事件是在下午6点，另一个是在晚上7点，那么它们之间有一个小时，对吗？ 爱因斯坦说，没那么快。在一个古老的、牛顿式的世界概念中，当然可以。时间是绝对的和普遍的，如果两个事件之间的时间是一小时，这就是如此。 相对论告诉我们一个不同的故事。现在有两个关于"时间"含义的不同概念。时间的一个概念是作为时空的一个坐标。时空是一个四维的连续体，如果我们想在其中指定位置，就可以在其中的每个点上附加一个叫做"时间"的数字，这很方便。当我们想到 "下午6点"和"晚上7点"时，我们通常会想到这一点。这些是时空坐标的数值，是帮助我们定位事件的标签。当我们说 "晚上7点在餐厅见面"时，每个人都应该理解所包含的意思。 但是，相对论说，就像直线路径的距离通常与你在空间两点之间实际走过的距离不同一样，你所经历的时间长度通常不会与宇宙坐标时间相同。你经历的时间量可以由你在旅途中携带的时钟来衡量。这是沿途的适当时间。而时钟所测量的持续时间，就像汽车上的里程表所测量的行驶距离一样，将取决于你所走的路径。  这就是所说的"时间是相对的"的一个方面。我们既可以考虑在时空坐标上的共同时间，也可以考虑我们沿着道路各自经历的个人时间。而时间就像空间，这两个概念不需要重合。 不过，时间肯定有一些与空间不同的地方，否则我们就会只谈论四维空间，而不是把时间单挑出来作为值得的标签。而且，我们在这里并没有想到时间之箭，就目前而言，我们处在一个简单的世界，只有很少的移动部件，熵和不可逆转性不是我们必须担心的事情。 区别在于：在空间中，直线描述了两点之间最短的距离。相比之下，在时空中，一条直线产生了两个事件之间最长的时间。正是这种从最短距离到最长时间的翻转，将时间与空间区分开来。 在时空中的"直线"，我们指的是空间中的一条直线和一个恒定的旅行速度。换句话说，一个惯性轨迹，一个没有加速度的轨迹。在时空中固定两个事件，即空间中的两个位置和相应的时间点。一个旅行者可以以恒定的速度在它们之间进行直线旅行，不管他们在正确的时间到达所需要的速度；或者他们可以在一个非惯性的路径上来回移动。来回路线总是比直线路线涉及更多的空间距离，但经过的适当时间更少。 为什么会这样呢？因为物理学是这样说的。或者，如果你愿意的话，因为宇宙本来就是这样的。也许我们最终会发现一些更深层次的原因，为什么它必须是这样的，但在我们目前的知识状态下，这是我们建立物理学的基本假设之一，而不是我们从更深的原则中得出的结论。空间中的直线是最短的距离；时空中的直线路径是最长的可能时间。 距离越远的路径所需的适当时间越少，这可能看起来有悖常理。这没关系。如果它是直观的，你就不需要成为爱因斯坦一样来提出这个想法了。 （编辑：航空爱好网） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |
站长推荐