什麼是時空連續體?
不久前,一位聽眾的來信中提到這個問題:「您能簡單描述一下時空連續體嗎?」
這可是個大問題,不過我會盡己所能。你可能知道,我們所處的是一個三維空間。三維空間意味著你可以往三種不同的方位移動。你可以把它們看作左右,上下,前後。
科學家通常用字母來表示這些方位:x,y和z。所以如果你向右移動四步,你就會沿著x方向或者科學家們所稱的「x軸」移動四步;如果你向左移動四步,你就會沿著x軸的負方向(或者對面)移動四步。
當然你也可以沿著對角線移動,但這其實就是三種移動方式中的兩種或者兩種以上的組合。所以如果你向前一步然後往右,你就是同時在往x軸和z軸移動。
站在你生活的地方
想像你家客廳的中間位置就是宇宙的中心,所以我們可以把這個點的坐標設為x=0,y=0,z=0,這個位置叫做原點。
圖解 :在綠色參考系中事件B與事件A同時發生,但在藍色參考系中事件B較早發生,在紅色參考系中事件B則較晚發生。
要知道如果你從原點向北或向南移動,那就是沿著x軸移動;如果你向上或向下移動,那就是沿著y軸移動;如果你向東或向西移動,就是沿著z軸移動。
我們可以像這樣用坐標或者方位把你現在的位置寫出來:(0,0,0)。
如果你向右移動1米,那麼你的新位置就是x=1,y=0,z=0或者(1,0,0)。接著如果你向上躍1米,那麼你的新位置(保持懸空)就是x=1,y=1,z=0或者(1,1,0)。
圖解:火車上移動觀測者的時空圖。
現在要重點關注的是我們給出任意的x=1意味著此處離客廳中心(或稱原點)有1米的距離。我們也可以說x=1意味著1英寸,1英尺甚至1米,只要我們測量單位相同,這都沒關係。所設的x、y、z的方向也不重要,只要使它們在討論中保持不變就可。我們本來可以簡單地說z才意味著左和右而不是x。
在時空的概念上增加一個維度:第四維度。
第四維度
我們不僅是在空間的三個維度上移動,還在時間中移動。在閱讀本文時,你已經沿著時間維度移動了幾秒鐘。不幸的是,四維形狀在視覺上更加抽象,這就是我們花費許多時間討論坐標的原因。數學使討論更高維度的空間變得更加簡易。
圖解:從三維投影看,一個在四維空間中繞一個平面旋轉的四維超正方體。
如果我們將0設為你開始站在客廳中心的時間(秒),則你在四維空間中的坐標為:x = 0,y = 0,z = 0,t = 0,我們可以寫成(0,0,0,0)。請注意,四維表示我們在坐標系中有4個值。
圖解:從一維到五維物體的演示。
5秒後,我們在時空中的坐標將是(0,0,0,5)。如果在那5秒鐘內我們碰巧向後退了一步(沿z軸向後),那麼我們的坐標將是(0,0,-1,5)。現在重要的是要記住,我們在幾秒鐘內測量的時間維度,依然完全是任意的,我們可以使用分鐘,小時,毫秒,年或其他任何單位。
圖解:在太空船參考系的觀點中,船上的時間與當地的時間看起來是不同步的。
現在重要的是通過所有這些任意選擇的方向和測量單位,給出一個參考框架,或者能對照我們的坐標的物體。因此,如果我們想給某人一個四維坐標來描述我們在時空中的絕對位置,我們會這麼說:
「當我的實驗開始時,我正在相對於客廳中心的坐標(0,0,-1,5)處。」
我們還需要告訴他們x,y和z的方向,以及每個維度的測量單位:
「如果x是我客廳中心以北的距離,y是我客廳中心以上的距離,z是我客廳中心以東的距離,t是自從我開始站在客廳中心以來的秒數,我的坐標(x,y,z,t)是:(0,0,-1,5)。
幸運的是,所有這些信息你只需要告訴他們一次,因為之後的所有坐標將使用相同的信息。
既然你知道什麼是時空了,那就讓我們談談時空連續體。連續統一意味著持續存在。因此,如果你考慮從客廳的中心上下移動,你可以持續永久地向上移動,也可以持續永久地向下移動。 (假設你可以分別飛過並穿過地球中心)。當你在時空中移動時,你正在穿越時空連續體。
參考資料
1.Wikipedia百科全書
2.天文學名詞
3. Lee Falin-quickanddirtytips-兩等
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