您当前位置:首页-数学与物理-详情

空间和时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:2022-12-07 10:09:54

我们注意到自然界中有两个重要的不变性;物理定律的不变性。在我们加速到某个速度之后,现在处于相对恒定的运动中,所有物理定律的行为都和加速之前完全相同。光速不变。所有的光,不管它从哪个方向来,总是以相同的恒定速度来测量,就像加速度之前一样。

如果我们要测量传球的速度,很明显,这在很大程度上取决于我们自己的相对速度。光就不是这样了。

空间和时间关系的基本解释是什么

这似乎是不可能的。如果我们观察一个以25%光速运动的人,朝着一些以100%光速接近的光子前进,我们会直觉地认为这个观察者应该以125%光速测量到那束光。

空间和时间关系的基本解释是什么

但问题是,物质内部所有基本的量子力学相互作用,在最小的水平上,既负责防止物质衰变,又允许所有可能的时间变化,都受到同样的光速的限制。如果太阳在一分钟前爆炸,我们在接下来的7分钟左右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和测量工具的基本粒子内部。

我们的大脑、测量棒和时钟会随着看到我们旅行的人的观察而变化。但我们自己的测量杆和时钟根本没有变化,因为一切都完美地同步工作。所以我们看到一个时间膨胀的旅行者用长度收缩的测量棒和时间膨胀的时钟来测量物体的速度。

要感受时间膨胀,没有什么能比得上爱因斯坦光钟。

这是一个在两个镜子之间有一定距离的时钟,它只是简单地在上面计数接收到的光脉冲:

空间和时间关系的基本解释是什么

当我们看到一个没有相对于我们移动的时钟(左图)时,我们会看到一个比它相对于我们移动的时钟(右图)更快的滴答声,因为对我们来说(!),这些光脉冲需要以恒定的速度传播更长的距离。

但是对于和这个时钟一起移动的人来说,它并没有被观察到滴答的速度变慢,因为这个人的大脑和所有其他物质在这个速度下的变化速度,与他旁边的光时钟完全同步。粒子本身就像小光钟。

秒被定义为在0 K温度下铯-133原子基态的两个超精细能级之间的跃迁所对应的辐射的9,192,631,770个周期的确切持续时间。

米的定义是光在真空中以1/299,792,458秒传播的路径长度。

因此,如果一个静态观察者观察到一个旅行者一秒钟的持续时间变慢了,这个旅行者也会被观察到测量他周围的距离(比如一米)比我们测量的距离短。

这与物理定律的不变性结合在一起,导致静态观察者用时间轴t和一维空间轴x测量时空事件之间的距离和时间(比如,两个蓝色LED光点发生在一定距离上,并且它们之间有一定的时间),但旅行者(遵循时间轴t '的旅行路径)用倾斜轴t '和x '测量这些事件,就像这样:

空间和时间关系的基本解释是什么

你可以看到旅行者有不同的同时性线(在时空图上,一个时刻从左下到右上发生)。

这是因为当我们在它的一侧放置两个爱因斯坦光钟时,就像这样:

空间和时间关系的基本解释是什么

我们观察到这个时钟以相对论的速度向侧面移动,我们观察到这样的行为:

空间和时间关系的基本解释是什么

我们观察到这个时钟以相对论的速度向侧面移动,我们观察到这样的行为:光以恒定的速度移动(在时空图中是45°角,其中光秒和秒的距离相等),但是时钟在移动时移动了一点。我们看到光脉冲比另一个时钟更早到达左边的时钟(作为观察者,离我们更近的时钟)。

这种观察到的异步性(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对方的时间膨胀。你可以跟随这两个非加速观察者的同时超曲面,尺子向上滑动,看看他们是如何总是看到另一个时间膨胀的:

空间和时间关系的基本解释是什么

这些关于同时性的不同观点是这样的(请原谅糟糕的绘画技巧),测量对方20%的时间膨胀(对自己来说已经过去了5秒,而观察对方只过去了4秒):

空间和时间关系的基本解释是什么

在这个特殊的例子中,一个旅行者以60%的光速移动,他们也测量对方的长度收缩了20%:

空间和时间关系的基本解释是什么

所有这一切的结果是,从理论上讲,某人可以以非常接近光速的初始突然加速度从地球出发,并在短短几秒钟内到达某个位置,而这个位置对我们静态观察者来说实际上是光年之外的。

这似乎与光速的极限相冲突,但对于我们静态观察者来说,这需要数年的时间,而旅行者则认为这只是几秒钟的时间,并且只能看到他周围所有物体所走过的相对较短的收缩距离。他实际上观察到自己平静地漂浮在太空中,根本不是在旅行。

在他向后加速(直到他停止)后,他对发生的事情有了不同的看法,并得出结论,他实际上在几秒钟内穿越了很多时空。很多空间和时间已经过去了,因为他荒谬的速度。空间和时间彼此并不是分开的,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,这取决于我们自己的相对状态。

空间和时间关系的基本解释是什么

但这也是为什么在不变时空间隔中有负号的原因。如果旅客只注意到一点他的时间已经过去了,没有距离,然而对于静态观察人士多年来传递和光年的距离,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),然后取其根和它将被证明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。就像空间有勾股定理一样,时间也有。只是带个负号。这是固有距离的不变区间(其中时间部分减去空间部分):

空间和时间关系的基本解释是什么

注意这里的c只是一个数字(而不是速度):这里使用爱因斯坦常数(这就是c所代表的意思)来纠正我们对单位的首选使用。在这个被称为“时空”的4D连续体中,一秒内可以容纳299,792,458米,就像一英里内可以容纳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,因为一光秒已经精确地与一秒相匹配了。

只要我们使用自然单位,高度不用英尺,长度不用英里,深度不用公里,时间不用小时,我们就不需要对x、y、z和t使用任何修正数字,正确的距离可以简单地用自然单位来表示

空间和时间关系的基本解释是什么

以下是事件(点)与观察者在加速时的关系:时间到了,一维空间在x轴上:

空间和时间关系的基本解释是什么

以下是事件(点)与观察者在加速时的关系:时间到了,一维空间在x轴上:你看到时间和空间的同时性和距离是如何不断变化的吗?请注意,它本质上是一个物体在空间中沿着单线来回移动的不变图像,只是为了解决中间观察者的相对视图而变形。一旦中间的观察者观测到了一个事件(点已经经过了X的下半部分,代表光速),它就不能再向它的未来移动(从中间的水平线)。在此之前,它仍然可以。
D相关下载
Z最新攻略更多+
热门文章更多+
近期大作更多+