什麼是時空連續體?時空連續體有多少個維度?

2020-12-03 天文在線

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當你在讀今日《今日奇觀》時,你在想什麼?「時空連續體」這個詞是否會讓人聯想起《星球大戰》中的光劍和《星際迷航》中的飛船?

如果是這樣,那是可以理解的。所謂的「時空連續體」肯定聽起來像是脫離了這個世界。 但實際上,它離科幻小說還很遠。 實際上,這是一種理論上的科學構造,可以幫助解釋我們存在的本質。

時空連續體的思想來自於阿爾伯特·愛因斯坦的開創性工作。通過發展他的相對論的特殊和一般理論,愛因斯坦研究了與光速有關的物理定律。

阿爾伯特·愛因斯坦 時空四維度模型

愛因斯坦得出的結論是,空間和時間,而不是相互獨立且無關的現象,實際上是交織成一個跨越多個維度的連續體(稱為時空)。 那麼,時空連續體中有多少個維度?

空間-時間連續體包含四個維度:三個空間維度(長寬高或上下,左右,前後,取決於你如何衡量它們),加上第四個時間維度。愛因斯坦的相對論促使了其他的科學家去探索時間和空間的關係。

這些是不是看起來有些令人困惑?不用擔心!時空連續體和愛因斯坦的相對論是一種超前的科學思想,即使是科學家有時候也難以理解其中的含義和意義。在拋下引起混亂的細節的情況下,讓我們看一下源自時空連續體的有趣想法。

設想時空連續體的一種方法是考慮一塊大的織物,例如一片布單。愛因斯坦意識到,具有質量的物體(例如人或地球)會造成時空扭曲。

想像一下將保齡球放在布單的中間。保齡球的周圍區域會向下塌陷,在布單上形成凹痕。這些凹痕表示時空連續體結構中的曲率。愛因斯坦將時空連續體中的這些曲線識別為重力。

但這些曲線是真實的嗎?雖然科學家不能看見或測量時空,但他們依然能從愛因斯坦的預測中證實這個現象。例如,光線在大型物體周圍移動時應該彎曲。天文學家已經觀察到了這種現象,即重力透鏡現象,他們用它研究了否則隱藏在大型物體後面的星系和恆星。

愛因斯坦還提出了理論,即空間和時間的相對性質意味著運動中的物體經歷時間的速度要比靜止的物體慢。在地球上,我們行動太慢而無法注意到這種現象,但科學家已經證實了它的真實性。

每天,與地球時鐘相比,組成全球定位系統的衛星約增加38微秒。 如果不是用於使時鐘與地球保持同步的內置校準,這將影響其定位精度幾英裡。因此,下次使用GPS設備進行尋寶時,您可以告訴您的朋友,您的位置信息將在不久的將來出現!

時空

在物理中,時空是一種融合三種空間維度和一種時間維度成一個四維度的連續體。時空圖可以用於可視化相對論效應,例如解釋為什麼不同的觀察者認為事件發生的時間和地點不同。

直到20世紀初,人們一直假設宇宙的三維幾何形狀(其在坐標,距離和方向方面的空間表達)與一維時間無關。然而,1905年,愛因斯坦(Albert Einstein)在狹義相對論上的開創性工作基於兩個假設:(1)物理定律在所有慣性系統(即非加速參考系)中都是不變的(即相同); (2)真空中的光速對於所有觀察者都是相同的,而與光源的運動無關。

相關知識

三維空間(也稱為三度空間三次元3D),日常生活中可指由長、寬、高三個維度所構成的空間,而且常常是指三維的歐幾裡得空間。在歷史上很長的一段時期中,三維空間被認為是我們生存的空間的數學模型。當時的物理學家認為空間是平坦的。20世紀以來,非歐幾何的發現使得實際空間的性質有了其它的可能性。而相對論的誕生以及相應的數學描述:閔可夫斯基時空將時間和空間整體地作為四維的連續統一體進行看待。弦理論問世以後,用三維空間來描述現實中的宇宙已經不再足夠,而需要用到更高維的數學模型,例如十維的空間。

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