中國古代的宇宙觀與世界觀,可以從中文的「宇宙」、「世界」等詞語裡找到線索。《莊子》:「上下四方曰宇,往古來今曰宙。」 世界的世指時間,界指空間,追溯其源頭乃出於佛教。因此空間和時間構成了「宇宙」和「世界」。
探索宇宙是人類永恆的話題,從古至今無數人提出了各種假說,你也可以提各種假說,只要能自圓其說就能成就一方哲學。如果要到科學層面,需要有嚴謹的數學推導和證明並將其量化。
偉大的愛因斯坦基於光速不變,提出狹義和廣義相對論,數學上一統時空。如果你還想提出假說,就必須要理解相對論說啥了。
相關資料網上很多,本文做一些重點總結,只求模型觀,不求量化推導,算是科普。古人云:物理不是物理學家的私藏,而屬於全人類!
在接近光速運行的空間裡,時間會變慢引用一個經典的教科書上的例子來解釋為什麼時間會變慢。
下圖為一虛擬實驗,A和B為兩面鏡子,相距為L,光子一面鏡子發射到達對面的鏡子,再返回,則可以測出光速。
但如果空間以接近光速勻速運行,我們沿著與空間運行垂直的方向設置兩面鏡子。如下圖所示,朝右運行。則光子從A到B再回到A的距離變成了斜線。如果光速不變,距離L不變,那只能是時間變慢了。
推導
結論
整個過程連起來就是下圖的效果,注意藍色點。因此,就有著名的經典場景:如果某年輕人坐接近光速的宇宙飛船若干年回到地球,該乘客還依然年輕,而當年的同齡人已是老年。因為接近光速的宇宙飛船上時間變慢。
如果乍眼看,似乎反自然規律,別急,耐心容我解釋一下。
我們可以這樣來理解:萬物(包括宏觀微觀物體)都在運動,運動帶來位置的變化,不妨把這變化理解為小粒子們的組成的狀態改變,而時間就是用來描述物體們從一個狀態變成另一個狀態。所謂的時間快慢就是狀態變化的快慢。而「快」與「慢」都是相對光速而言的。也就是說,上面例子裡宇宙飛船上的年輕人之所以還年輕,是因為宇宙飛船上的粒子運動比較慢。
那為什麼光速是恆定的?首先這個問題本身就很有問題,會誤導大眾。簡單的回答是,時間是以光速為參照而存在,且是該宇宙的極限速度。根據相對論,質量能量守恆的原理,換句話說,質量能轉化能量,而速度跟能量有關。如果把質量全都轉化為能量了,則速度是極限。這個極限就是光子,因為光子沒有質量。所以,質能轉化是宇宙或自然的規律,光速是宇宙或自然的特徵。
如果存在另一個不一樣的宇宙,只要算一下質量轉化成能量,還有光速,就能了解那個宇宙不一樣的「時間」,也能比較宇宙們的異同。因此造世主只要定義了光速,就定義了宇宙。啊,神吶。聖經《創世紀》第3節:神說,要有光,就有了光。
空間是光的軌跡幾乎萬物都有質量,也有所謂的萬有引力。另一種現代物理的理解是,物體質量影響空間結構,構成勢能,使得有質量的物體會互相靠近,營造出「水往低處流」的場景,如下圖。這個叫做「引力場」。而光在靠近大質量的物體時,會產生彎曲。這裡要注意一下,所謂的「彎」和「直」,都是相對的。為什麼說兩點之間直線最短?那是因為人們生活經驗主要靠光來觀察事物,而光按照直線運動(比如瞄準或者擋太陽)。換句話說,光怎麼走,人們所認識的直線就長什麼樣,雖然現實中大家已習慣「本末倒置」了。
再遙望浩瀚外太空,星系如塵埃不可數。若論分布,有些密集,有些稀疏,有些想對高速運動,有些想對低速運動。有些地方,光線軌跡是直的,但有些地方可能是歪歪扭扭的,有些地方時間走得快,有些地方時間走得慢。
如果沿著光線穿越外太空,就有點如下圖所示。而每個小空間所觀察到的光線都是該空間的「直線」。回到篇頭的例子,高速空間裡之所以時間變慢,是因為光線走斜線(不是直線)路遠,而導致該小空間裡的粒子都變慢,因而變化慢,致使時間變慢。
有人說「時間是按光速朝一個方向運行」,「光速就是空間的半徑」,這些都是很形象的。
空間的變換可以用洛倫茲變換,對其數學公式推導有興趣者,強烈推薦看一下百科介紹,思路頗為精妙。
再用兩個比喻來說明時間與光速。
堵車的地段車速慢,不堵車的地段車速快,如果兩個同一裡程出發,在兩個不同地段行駛,這個時候兩個司機通電話互報裡程表,對堵車地段的車來說,裡程就少,另一車裡程就多。裡程就是時間。
兩臺計算機同時開始跑一樣的程序自動打單機通關遊戲,一臺計算機的cpu計算能力強,另一臺相對弱,如果到某個時刻兩臺計算機相遇,快的計算機已經花費了更多的cpu cycle達到了後面的遊戲關卡。這裡的cpu cycle就是時間。
超光速?光速是宇宙的極限速度,因為光子零質量,所以速度最快。但空間是可以「扭曲」的,構成一些「蟲洞」。這樣能通過走捷徑做到比光子更早到達目的地,但並不是突破光速極限。
不過目前似乎沒人知道怎麼構造蟲洞。有人說是「暗物質」,通過「負能量」能做到。還有些人說利用量子物理的一些神秘莫測的特性構造蟲洞。期待,那將是物理學開腦洞的另一個裡程碑。未來的星際旅行瞬間轉移就靠它了,哈哈。
比光更早到達目的地不代表能回到過去。如果把時間理解為物體變化的紀錄片,如果能把物體還原,比如通過神奇的「負能量」讓粒子沿反方向或者徹底重構,那就是回到過去了。或者有些平行宇宙的理論,跑到另一個宇宙去,這個是另一種完全不同的宇宙觀了。