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空间和时间之间关系的基本解释是什么?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2022-04-28 17:23:40

我们注意到自然界中两个重要的不变性;

1、物理定律的不变性。当我们加速到某个速度,并且处于相对恒定的运动中,所有的物理定律都和加速度之前一样。

2、光速的不变性。所有的光,无论从哪个方向来,都是以加速度之前相同的,恒定的速度测量的。

如果我们试图测量一个传球的速度,很明显,它在很大程度上取决于我们自己的相对速度。

空间和时间之间关系的基本解释是什么

这似乎是不可能的。如果我们观察到一个以25%光速运动的人,以100%光速冲向一些接近的光子,我们会直觉地认为这个观察者应该以125%光速测量到光。

空间和时间之间关系的基本解释是什么

但问题是,物质内部的所有基本量子力学相互作用,在最小的水平上,它们既能防止物质衰变,又能允许所有可能的变化,都受到同样的光速的限制。如果太阳是在一分钟前爆炸的,在接下来的7分钟左右,我们不会注意到任何东西,仍然平静地享受着它历史性的光芒。同样的延迟也发生在我们细胞的基本粒子和测量工具中。

我们的大脑、测量杆和时钟会随着某人看到我们旅行而变化。但我们根本看不到自己的测量杆和时钟发生变化,因为一切都是完美同步的。所以我们看到一个时间膨胀的旅行者用长度收缩的测量杆和时间膨胀的时钟来测量事物的速度。

要感受时间的膨胀,没有什么能比得上爱因斯坦的光钟。

这是一个在两个镜子之间有一定距离的时钟,它简单地计算接收到的光脉冲:

光脉冲

当我们看到一个没有相对于我们移动的时钟时(左图),我们会看到一个更快的滴答作响的时钟,而当它相对于我们移动时(右图),因为对我们来说(!),这些光脉冲需要以恒定的速度移动更长的距离。

但对于和这个时钟一起运动的人来说,观察到的时钟并没有慢一点,因为这个人大脑内的变化速度,以及以这个速度运动的所有其他物质,与他旁边的光钟是完全同步的。粒子本身就像小时钟。

秒被精确地定义为铯133原子在0 K温度下基态的两个超精细能级之间的跃迁所对应的辐射9,192,631,770个周期的持续时间。米的定义是光在真空中每299,792,458秒内所经过的路径长度。

所以,如果一个静止的观察者观察到一个旅行者一秒的时间变慢了,那么这个旅行者也会被观察到,他周围的距离(比如一米)比我们测量的要短。结合物理定律的不变性,导致静态观察事件之间在时空测量距离和时间(比如说,两个蓝色LED波动发生在一定的距离,和它们之间的某个时间)时间轴t和1维空间x轴,但是旅行者(沿着时间轴t '的旅行路径)用倾斜的轴t '和x '来测量这些事件,就像这样:

时间轴

你可以看到旅行者有不同的同时性线(在时空图上,一个瞬间从左下到右上发生)。这是因为当我们把两个爱因斯坦光钟放在它的一侧时,就像这样:

爱因斯坦光钟

我们观察到这个时钟以相对论速度向侧面移动,我们观察到这样的行为:

相对论速度

光以恒定的速度运动(在时空图中,光秒和秒的距离是相等的,角度是45°),但时钟在运动时移动了一点。我们看到光脉冲在左时钟(作为观察者离我们更近的时钟)比其他时钟更早到达。

这种被观察到的不同步性(旅行者自己没有观察到)导致了对同时性的不同看法,并导致两个观察者总是测量另一个被放大的时间。你可以用一把向上滑动的尺子跟踪这两个非加速观察者的同时性超曲面,看看他们如何总是看到另一个扩张的时间:

非加速观察者的同时性超曲面

在这些爱因斯坦时钟的旁边,这些关于同时性的不同观点看起来是这样的(原谅糟糕的绘画技巧),测量对方20%的时间膨胀(自己5秒,而其他人只过了4秒):

同时性

在这个旅行者以60%光速移动的例子中,它们也以20%的长度来测量彼此:

光速移动

所有这一切的结果是,从理论上讲,有人可以通过初始突然加速从地球出发,速度非常接近光速,并且已经在几秒钟内到达某个位置,而对我们这些静态观测者来说,这实际上是光年之遥。

这似乎与光速的极限相冲突,但对于我们这些静态的观察者来说,这花了好几年的时间,而旅行者认为这只是几秒钟,看到的只是一个相对较短的、长度较短的距离,周围所有物体都在移动。他实际上观察到自己平静地漂浮在太空中,而不是旅行。

在他向后加速之后(直到他“停止”),他对发生的事情有了不同的看法,现在他得出结论,他实际上在几秒钟内旅行了很多空间。很多空间和时间都已经过去了,因为他那可笑的速度。空间和时间并不是相互分离的,所以两者都可以旅行。只是我们可以以不同的方式看待它们,这取决于我们自身的相对状态。

自身的相对状态

但这也是为什么在不变时空区间里有这个负号。如果旅行者只注意到他的时间过去了一点,没有任何距离,但对于静态的观察者来说,岁月流逝,光年的距离,我们可以减去大方量略大的距离(lightseconds)平方数量的时间(以秒为单位),然后把它的根,它将是相同的数量当我们做这个计算从旅游的角度(有点时间,减去没有距离)。

这就是结果。就像空间有毕达哥拉斯的关系一样,时间也有。只是带个负号。这是固有距离的不变区间(从空间部分中减去时间部分):

毕达哥拉斯

请注意这里的c只是一个数字(不是速度):这里使用爱因斯坦常数(这就是c所代表的)来纠正我们喜欢使用的单位。在这个被称为“时空”的4D连续体中,每秒可以精确地容纳299,792,458米,就像每英里可以精确地容纳5280英尺一样。如果我们用光秒而不是米来表示左边的部分,我们就不需要用任何数字来校正了,因为光秒已经精确地包含在一秒内了。

只要我们使用自然单位——Wikipedia代替英尺表示高度,英里表示长度,千米表示深度,小时表示时间,我们就不必使用任何更正数字来表示x, y, z和t,适当的距离可以简单地用自然来表示

自然单位

这是事件(点)与加速的观察者的关系:时间在上,一维空间在x轴上:

一维空间

你看到时间和空间上的同时性和距离是如何不断变化的了吗?请注意,它本质上是一个物体在空间中的单线上来回移动的不变图像,它只是被变形,以解决中间观察者的相对视图。一旦中间的观测者可以观察到一个事件(这个点已经通过了X轴的下半部分,代表光速),它就不能再向未来移动了(中间的水平线)。在那之前,它仍然可以。

在了解了狭义相对论的本质之后,这张动图很适合重新获得直觉。
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