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我们怎么知道我们不是在以接近光速的速度在太空中飞驰?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2020-11-08 19:58:34

好吧,这听起来很奇怪,但我们正以光速行进。(如果你考虑的是四维时空,而不是三维空间)

任何具有静止质量的物体都不能以光速在空间中移动,但在四维时空中,你总是在移动,因为时间不为任何人而静止。

即使你是站着不动,你也是在4维时空中以光速运动!

我能推荐的最简单的解释这一点的书是泰勒和惠勒的《时空物理》,本科水平的大学物理书。我把这本书当作一本

上世纪80年代的本科生,这本书可能还在印刷。

在时空物理学中,你将学习如何在二维图上绘制空间和时间的4维。首先,你将空间坐标x, y, z折叠成一个空间坐标r,使用如下关系:

r2=x2+y2+z2

这就像勾股定理一样,不过是在3维而不是2维中。

所以不用画x轴,y轴,z轴和t轴(表示时间)你把x, y, z合并成一个,然后在t上画出来。

这是一张图片:

我们怎么知道我们不是在以接近光速的速度在太空中飞驰?

通常他们不把空间轴标为“r”,但他们用“x”,即使它是x、y和z的组合。同时,为了让所有东西都用相同的单位,时间轴不仅仅是t时间。时间轴是t乘以光速

c ∗ t

如果c的单位是米/秒t的单位是秒那么t乘以c的单位是米,长度。在时空图中,它是两个轴上的长度,通常标记为“t”和“x”,或者“ct”和“x”:

我们怎么知道我们不是在以接近光速的速度在太空中飞驰?

在上图中,你可以看到经典的“双胞胎悖论”思维实验。一个双胞胎呆在地球上,所以它们永远不会在x空间维度上移动。它们的路径只会随时间而改变。这是沿着“ct”轴的绿色路径。

进入太空的孪生兄弟以非常快的速度离开地球,然后转身以同样的速度返回地球,但方向相反。这是蓝线。他们得到的总距离Δx及时离地球Δt,然后转身回家。

注意,在x轴上方有一个灰色区域形成了一个上下颠倒的三角形。这叫做“光锥”。三角形的两条红线代表以光速运动的物体。如果有人在宇航员双胞胎从地球起飞时点燃了一个超级亮的灯泡,灯泡里的光子会以光速从地球上沿这些线传播。其他的东西(有质量的东西)在灰色区域的某个地方会比光走得慢,比如上面的孪生空间的蓝色路径。

然而,在绘制四维时空图时,选择“c”作为转换因子的结果是,我们将“t”(时间)以“c”(光速)的“速度”旅行到未来!

那么,这一切意味着什么呢?为什么这意味着即使你没有移动,你也在以光速运动?

我们把时间和空间都画在一张图上。我们可以用毕达哥拉斯计算时空中任意两点之间的一种“距离”。物理学家称之为“时空间隔”,或者简称为“间隔”:

我们怎么知道我们不是在以接近光速的速度在太空中飞驰?

这个间隔非常特殊,因为时空中任意两个事件之间的间隔总是相同的,不管你的参考系是什么。你可以使用毕达哥拉斯函数来得到时间间隔:

d2=x2+y2+z2−(ct)2

这是相同的,即使观察者以不同的速度运动。

如果地球的孪生和空间的双胞胎都看乒乓球比赛在土星的卫星,泰坦,通过他们的望远镜,他们看到员1打了一个球(活动1)和2球员击球(活动2)。因为我们的两个双胞胎是以不同的速度他们会看到时间1和2事件在不同的时间和地点。空间双胞胎看到的时间更长,玩家之间的距离更短。

但是当这对双胞胎计算间隔时,间隔将是相同的!

当你以相对速度运动时,这有点像你用一段时间来交换一段长度。

再看看我们的孪生兄弟:

我们怎么知道我们不是在以接近光速的速度在太空中飞驰?

空间双星的速度非常快,所以它们在时间轴上每移动一个单位的时间增益并不大。

地球双生子(在它们的坐标系中)是静止的,所以它们只能沿着时间轴增长,而不能沿着空间轴增长。

当这对“太空孪生兄弟”的火箭发射时,来自闪光灯的光子以光速沿红光锥线传播,并在其路径上的每一个单元中到达更远的空间。

你可以这样想我们都在以光速运动
  1. 如果我们静止不动,我们就是在以全速向前移动,而不是在空间中移动(在我们的坐标系中)。我们所有的“速度”都朝着时空的“ct”时间轴前进。我们正以光速沿着时间轴运动。
  2. 如果我们在一个快速的火箭中移动,比如空间孪星,我们有更多的空间速度,所以我们沿着时间轴移动得更慢。我们的一些“速度”是在空间中,但大部分仍然在时间上向前移动。总的来说,我们仍然以光速运动,但是由于我们在空间中以较快的速度运动,我们不得不放弃一些沿着ct轴的速度。
  3. 如果我们是一个无质量的光子,我们将以光速c运动,我们沿着ct轴的运动就会更少,每一个单位沿着我们的路径运动。
在四维时空物理中,你可以认为你正在以光速进入未来,即使你是站着不动的!

 
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