時空究竟是什麼？相對論為你揭曉答案

2020-12-12 天文在線


這個問題會讓你聯想到什麼？「時空連續統」這個詞會不會勾勒出星球大戰中 光劍的樣子？或者是星際穿越中飛船的形象？

如果是這樣，你的想法在正常不過。「時空連續統」聽起來不像是存在於我們世界中的事物。但事實上，它絕不是只在科幻小說中存在的東西，它是一個可以解釋我們存在根本的，理論科學的構架。

時空連續統的概念是從阿爾伯特·愛因斯坦開創性的研究誕生的。在發展他的廣義相對論時，愛因斯坦研究了物理定律與光速的關係。

愛因斯坦的結論是，空間與時間並不是兩個分開的現象，而是交叉在同一個連續統上，並跨越了好幾個維度。時空連續統究竟有幾個維度呢？

時空連續統共有四個維度，三維的空間（長、寬、高，或者說上下、左右、前後，取決於你是如何思考的）加上第四維的時間。愛因斯坦的相對論，極大地激勵了其他科學家對於時間與空間的關係進行研究。

這些關於時空的東西是不是令你感到困惑？如果是這樣的話，別擔心。時空連續統和愛因斯坦的相對論都是非常前沿的科學理論，甚至連專業人士也會有摸不著頭腦的時候。避開令人費解的細節，然我們聊一聊幾個從時空連續統衍生的冷知識。

想像時空連續統的一種方式是將它看作一張布，愛因斯坦意識到帶有質量的物體，例如一個人或者地球，會在導致時空的畸變。

想像在一塊布中央放了一顆保齡球，球體四周的布料會被下壓，在保齡球的位置形成一個低地。這個低地就代表時空連續統的彎曲。而這些彎曲，根據愛因斯坦的理論，就是重力。

但這些彎曲是真實的嗎？雖然科學家們不能觀測或測量時空，他們可以確認愛因斯坦預測的現象發生了。例如，光線會在經過大質量物體附近時彎曲。這一現象被稱為引力透鏡效應，並被天文學家用於學習本被其他天體遮蓋住的星系。

愛因斯坦還猜測， 因為時空的相對性，一個運動中的物體所體會到時間的流逝比起靜止的物體要緩慢。在地球上，我們運動的速度太小，以至於觀測不到這一現象，但科學家們已將它證實。

每一天，GPS所用的衛星比地球多了38微妙，如果不是有內在的裝置來調整時間，將會導致幾公裡的誤差。所以下一次出行，你可以告訴你的同伴們，GPS所提供的信息來自未來。

時空

在物理中，時空是任何將三維的空間與一維的時間結合在一起，形成一個四維時空的數學模型。時空圖像可以將相對論的影響可視化，讓我們清晰地看到為什麼不同觀測者對同一件現象所發生的位置與時間有不同的看法。

一直到二十世紀初，人們認為三維的空間（被坐標，長度，方向所表示）與一維的空間是兩個獨立的個體。但在1905年，阿爾伯特·愛因斯坦，根據他開創性的相對論，提出了兩點猜測：第一，在所有慣性參考系（勻速運動的觀測框架）下，物理守則不變（在各處一致）；第二，光速真空中的速度保持一致，無論觀測者相對光源的速度。


作者: wonderopolis

FY: mjr

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