廣義相對論、時間和第四維度——最簡單的解釋

2020-12-11 老胡說科學

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許多人混淆了時間的生物流逝和時間的物理概念。

在大腦中,從生物學上講,時間的流逝是由位於內側顳葉的海馬體來維持的。海馬體是邊緣系統的一部分,邊緣系統是物種的生存系統,它被包圍在古哺乳動物的大腦中。它在信息整合中起著重要的作用;從短期記憶到長期記憶,以及在空間記憶中導航。它本質上是我們身體的慣性測量單位。我們在空間和時間中的瞬間都記錄在海馬體中。

為了讓你對生物時間失去方向感,我所要做的就是給你大腦的顳葉一個精心設計的打擊。這可能會導致逆行性失憶,當你在消失的記憶之間切換時,你的時間感也會消失。你的時間指數消失了。你開始在生物學意義上的空間和時間之間絆倒。很有可能你會陷入不同的生物時間軸之間,你將無法區分過去和現在。你大腦的其他部分會試圖與海馬體協調,但會失敗。

這並不意味著它會影響所有人。他們將繼續他們的正常生活。這意味著,只有你對生物時間的主觀感知會受到影響——而時間就是你的主觀體驗。

如果我能說得更清楚些,我會說時鐘不能測量時間。時鐘測量事件之間的間隔。時鐘只測量事件並使用數字索引它們。這個數字與你當時的精神狀態有關,這就是大腦中信息的時間印記。粗略地說,它可以表示為一組{時間,事件}(同樣,過於簡化:這是數十億神經元放電的結果,創造了一個複雜的混沌電路)。它服務於生物學和社會文化目的。沒有這個索引,我們就無法在大腦內存中存儲任何東西。就像我們書中的索引,或電腦資料庫,生物時間是一個概念,我們使用它來有效地存儲和檢索記憶,無論何時需要。對我們來說,它總是昨天,去年,明年,或今天。這是我們的時間錨,讓人類計劃、存儲和記憶事物,並通過一個共同的時鐘來更好地運行文明,測量這些事件之間的間隔。

通過將我們對時間間隔的測量與其他所有人的時間間隔匹配起來,我們發明了世界上有史以來最強大的協作和規劃工具——時間——它控制著我們所有的活動,甚至是我們每年製造的數十億複雜機器的活動。

既然時間的生物學概念和物理學概念之間已經有了明確的區分,讓我們深入研究物理學概念。

現在,把時間想像成一個更高維度的概念。你不能從視覺上感知它,因為你還沒有發育出這樣做的感覺器官。所以,如果你能用一個類比來理解這個概念,那將是對你自己的一種幫助。想像你是生活在二維平面紙上的螞蟻。你可以在X和Y空間維度中移動。你可以穿越歐幾裡得宇宙的長度和寬度,但遺憾的是,不能穿越深度或高度。那是因為你還沒有長出感覺器官或智力來感知第三維度。

現在想像一下,你的紙被弄皺了,這會在平坦的笛卡爾平面上產生三維扭曲,在三維空間中創造出你看不到的山和谷。但是,當你走在山坡上的時候,你會發現一個神秘的,看不見的力量,阻止你在直線上移動,拖著你向左或向右。這樣,你就會明白,力是高維幾何的一個結果。這是對傑出的伯恩哈德·黎曼的類比,他是第一批建立萬有引力數學儀器的人之一,幾十年後,愛因斯坦用它寫出了我們整個歷史上最優雅的方程——萬有引力場方程。黎曼的結論是,電、磁和重力是由我們的三維宇宙在看不見的第四維度的崩潰所引起的。在那裡,有一個4維流形的存在。

僅憑這一種直覺,伯恩哈德·黎曼,在19世紀,就打破了物理學中的三維歐幾裡德教條,這一教條限制了我們在數千年的時間裡觀察我們感知之外的事物。

現在,就像螞蟻的第二維度蜷縮在一個看不見的第三維度,我們的第三維度蜷縮在一個第四維度,我們無法看到,但是我們將能夠通過相互作用的方式來感知它與我們合作,並制定方程來控制更高的維度。這就是愛因斯坦所做的。當我們所有的直覺都被困在我們智能感知的世界裡時,黎曼和愛因斯坦都感知到了一個我們無法感知的數學世界。他們推導出了支配這個維度的定律。所有的方程式都得到驗證——在我們進行的每一次實驗中。它的美妙之處在於,它幾乎是形而上的,但卻是數學化的,它與靈性的路線是一致的——但它仍然以世界上從未見過的最美麗的方程組為基礎。

這一發現的意義永遠地改變了我們的世界。

在地球表面,你可以沿著南北向、東西向的組合移動到任何地方。您只需要兩條信息來編碼空間信息—緯度和經度。如果你在飛機上飛行,你可能需要第三個數據——高度。如果沒有這些數據,即使兩個人長時間站在同一個地方,你也不可能看到對方。

時間也是一樣。

1905年,愛因斯坦的狹義相對論告訴我們,光速是一個宇宙速度極限,當你接近它時,「神秘」的事情就開始發生了。時間慢下來,長度就會縮短。

你可以從時間膨脹方程中看到,當速度接近光速,時間膨脹增加,當它達到光速時,你可以看到時間變成了零。

但是,最大的突破也許是在1907年,當時愛因斯坦的老師明可夫斯基意識到愛因斯坦的相對論具有非同尋常的含義:在數學上,時間的行為與空間完全相同。

然而,愛因斯坦看到,第四維度可以服務於更高的目的。統一自然法則。他剛剛顯示,時間和空間可以相互旋轉,所以它可以被視為一個單一的實體,稱為時空。通過增加更高的維度,愛因斯坦可以將在3維世界中沒有任何聯繫的物理概念(例如物質和能量)結合起來。

為此,你可以做一個類比,從米奇奧·卡庫的超空間中複製這個類比。每當羅馬發生戰爭時,那些能夠到達高山或丘陵的政黨就比他們的敵人有優勢。他們可以從更高的平面上看到敵軍的隊形。在這種情況下,一個更高的平面,或維度高度作為一個平臺,可以簡化他們的觀察,存在於他們的視線之外。

這是一個經典的例子,說明自然法則在更高維度上是如何簡化的。作為三維空間的囚徒,我們能做的就是把同樣的思維擴展到第四維度。

同樣地,另一組令人困惑的方程是麥克斯韋電磁場的8個方程(4個耦合方程),這在當時即使是物理學大師也感到困惑。當時間被納入第四維時,那些偏微分方程在一個主行程中被簡化成一個美麗的對稱方程。原來的8個方程所包含的信息都保留在最後的4維方程中,具有更高的對稱性。在這個方程中,空間和時間可以互換而不產生任何後果。

因此,時間作為第四個維度,簡化了自然法則。

當維度上升時,一個簡單的,直觀的,但平凡的方程最終會被構造出來。它可以把引力、電磁力和核力的場方程統一為一個方程。它可以解釋宇宙中所有的現象——被稱為「萬物理論」——或「最終理論」——物理學的聖杯。

它是我們所能接近的上帝,以及整個宇宙的機制,所有這些都存在於一個雄辯的等式中,可以通過實驗加以驗證。

但是,正如智者所說,靈性和想像力,即使缺乏經驗的證明,也可以產生一種思維,在科學原理缺乏信仰飛躍的地方,它可以作為一種延伸。就像我們想像的第四維度。

廣義相對論描繪了一幅宇宙的新圖景,其含義如下。

即使你完全靜止不動,你也在時間中移動。你在空間中移動得越快,你在時間中移動得越慢。如果你以光速運動,或者如果你完全沒有質量,你會瞬間穿越時空。也就是說,你不會有時間。所以只要考慮到光子,它就不會「經歷」時間的流逝。對於光子來說,大爆炸和宇宙熱死都是瞬間發生的。如果你取第三點,一個像介子這樣的不穩定粒子,它屬於被稱為輕子的一類基本粒子,可以用來觀察時間膨脹。是不穩定的,它的壽命是2.2s。在它解體前的短暫生命期內,它以光速行進的距離由基本方程給出,距離=速度*時間。但是,我們已經觀察到,介子是在高層大氣中形成的,穿過整個大氣層到達地球表面。

這意味著它經歷的時間只比我們少。

根據廣義相對論,它們的含義是,空間和時間可以相互旋轉,而且它們都是一樣的。因此就有了時空這個術語。

愛因斯坦對他的引力場方程有證明和直覺,但他沒有數學儀器來表達他的推導。在愛因斯坦之前的幾十年裡,黎曼有數學儀器,但沒有愛因斯坦的物理直覺。

黎曼認為自己是一個有信仰的人,他相信數學是為上帝服務的方式,他在1866年死於極端貧困和肺結核,因為他的高維方程沒有被科學界所接受。

半個世紀後,阿爾伯特·愛因斯坦在「狂怒」地尋找用數學表達他的引力場方程時,非常巧合地遇到了黎曼張量。他發現他的場方程可以用黎曼張量完美地表達出來。因此,黎曼張量在史上最著名的方程中找到了它應有的位置——在他痛苦地死去半個世紀之後。

把時空想像成一個四維流形,它會受到質量的影響。愛因斯坦假設了應力-能量張量來描述這個場。這張量給我們確切的「彎曲」的時空存在的質量和能量(相當於質能等價或E = mc),這個曲率,可稱為測地線——一條在更高維度的曲線。

讓我告訴你,上面的圖像過於簡化了它。時空格,或者你在圖像中看到的坐標,在質量的存在下會收縮,產生測地線。

這就產生了引力。這就是重力吸引你的原因。重力是第四維度時空覆蓋層扭曲的結果。就像螞蟻在平地上的山丘和山谷,它們看不見,卻能感覺到。

仍然有幾十年的推導和解釋,例如,一個熱力學的時間解釋,給我們的「時間之箭」。

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