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你知道相对论的四维时空到底是啥样的?

admin 2019-10-29 114人围观 ,发现0个评论

爱因斯坦说时空弯曲,那么时空是什么?

作者丨李春生(书房记特约专栏作者)

这个问题远比想象中的复杂得多。在回答时空为什么弯曲之前,需要了解时空是什么。在回答时空是为什么之前,需要了解空间是什么。

现代汉语词典对空间的定义:空间是物质存在的一种客观形式,由长度、宽度、高度 大,小(体积 形状不变)的形式表现出来。

科学对空间的定义:物体存在、运动的(有限或无限的)场所,即三维区域,称为(三维)空间。

事实上,空间的定义非常复杂。空间又分两种为:

绝对空间:其自身特性与一切外在事物无关,处处均匀,永不移动。

相对空间:是一些可以在绝对空间中运动的结构,或是对绝对空间的量度,我们通过它与物体的相对位置感知它,它一般被当做不可移动空间。绝对空间与相对空间在形状大小上相同,但在数值上并不总是相同。

经典物理学的解释:宇宙中物质实体之外的部分称为空间。经典物理学的空间有绝对空间和相对空间。

相对论的解释:宇宙物质实体运动所发生的部分称为空间。相对论只有相对空间。

是不是太复杂?我们还是简单举例说明吧。对鱼缸里的鱼来说,鱼缸里的水就是绝对空间,鱼缸外的大海和空气都是相对空间。重点来了,对潜艇里的人来说,潜艇里的空间是绝对空间,潜艇外的大海是相对空间,潜艇相当于大气层也是相对空间,相当于宇宙空间,大气层也是相对空间。这个问题非常重要,对理解接下来的讨论很有帮助!

空间由什么构成?

英国哲学家托马斯霍布斯(Thomas Hobbes,1588~1679)认为宇宙与所有事物的结合体是物质性的,物质具有广延性,具有长度、宽度和深度,物质的任何一部分同样也是物质,同样具有广延性。因此,宇宙的任何一部分都是物质非物质不可能成为物质的组成部分。宇宙就是所有物质的集合体,而物质都是有广延的。

法国哲学家勒内笛卡尔(Rene Descartes,1596~1650)也认为,空间是物质的广延,空间与广延性是同一的,因此,没有物体的空间是不存在的,亦即空无一物的空间是不存在的迪卡尔把空间形容为俄罗斯套娃一样,绝对空间与相对空间如一层套一层的大大小小的盒子,盒子之间相对运动。对每一层的盒子来说,自己盒内空间是绝对空间,相对于更大一层的盒子和更小一号的盒子内的空间则是相对空间。请注意,这与客观现实是符合的,例如地球有一个大气层,大气层中有一架飞机,飞机的机舱内有一个行李笨,箱内装了一个礼品盒,盒子里有一个化妆盒,化妆盒里有一瓶香水。请注意,每一层盒子内都是独立空间,每一层盒内空间既是绝对空间,相对其他空间又都是相对空间。

关于物质与空间的广延性,水的不同形态就是最通俗的例子,首先,水也可以以冰和水蒸气的形式存在,水蒸气占据的空间要比冰占据的空间大了许多倍,但水蒸气的本质依然是水,所以,可以把水蒸气看作是冰的广延。

在经典物理学中,'场'的概念是在物质被看作连续体的情况下作为一种辅助性概念提出来的,对场的特性是有分歧的。笛卡尔、法拉第和麦克斯韦一派认为场的特性是它们只存在于物质之中,没有物质的地方就不可能有场存在。空间充满了物质,这种连结各种物质、'充满空间的东西'的场就是以太。正是在电动力学中引进了场的概念,麦克斯韦成功地预言了电磁波的振动原理(电磁波是场的振动),并成功地将电学、磁学、光学统一起来。麦克斯韦认为光波是电磁波的一种。特别是1801年的杨氏双缝干涉实验确定光是一种波后,经典物理学达成的共识是空间由以太这种物质构成。以太空间构成磁场,电磁波是以太的横振动。空间由三维绝对空间加一维绝对的时间构成,即三一时空空间和时间绝对独立物质参照绝对空间进行绝对运动。

问题来了,经典物理学是三维空间(即三一时空),为什么相对论称为四维时空呢?即三维空间加一维时间构成四维时空结构。相对论的空间是什么构成的呢?

这个问题与人们对以太的认识有关。以法国物理学家菲涅尔为代表的一派的观点认为以太随物质运动,会产生以太曳引现象,即'以太部分曳引假说';而荷兰物理学家洛伦兹一派的观点认为以太绝对静止,以太不会随物质运动,会产生以太漂移现象,这就是'以太漂移假说'。问题来了,因为地球有自转,在地球表面理应测出'以太风'。但是,1887年,迈克尔逊——莫雷实验得出光在各个方向光速都是一致的结论,以太空间并没有影响光的传播,这意味着绝对静止以太的假设是错误的

问题来了,如果空间性质不同,那么,建立在不同空间性质基础上的不同的理论就会有不同的命运

1905年,爱因斯坦在论文《论动体的电动力学》中写道:企图证实地球相对于'光媒质'运动的实验的失败,引起了这样一种猜想,绝对静止这概念,不仅在力学中,而且在电动力学中也不符合现象的特性……'光以太'的引用将被证明是多余的。因为按照这里所要阐明的见解,既不需要引进一个具有特殊性质你知道相对论的四维时空到底是啥样的?的'绝对静止的空间',也不需要给发生电磁过程的空虚空间中的每一个点规定一个速度矢量。[爱因斯坦,《狭义与广义相对论浅析》,第194~195页]爱因斯坦认为,空间是空无一物的真空,没有什么盒子与盒子之间的绝对空间和相对空间,所以的空间都是一种空间,即真空

绝对运动与相对运动的差别。

爱因斯坦认为:从我们由狭义相对性原理所接受的观念来看,每一种运动都只能被认为是相对运动:车厢相对于路基是运动的。路基相对车厢是运动的……只要路基K相对于车厢K1是匀速直线你知道相对论的四维时空到底是啥样的?无转动运动状态,对于自然定律就完全等效;所有这些参考物体都应认为是伽利略参考物体(请注意!伽利略相对性运动原理是经典物理学的基础之一)……在这个意义上我们说它是狭义相对性原理或狭义相对论。[爱因斯坦,《狭义与广义相对论浅析》,第47页]志在替代经典物理学的狭义相对论就此横空出世。

关于时空弯曲。

目前非常套路的解释是,根据相对论,星体的重力会引起时空弯曲,空间和时间一同弯曲,靠近大质量的星体时间也会变慢。时空弯曲理论不仅可以解释星体引力引起星光偏折现象,更可以解释探测器通讯延迟现象。大多数科普文章会到此为止,时间、空间和时空弯曲的都解释了,嗯!完美!

但是,等一下!

我们知道,理论是为解释客观世界而存在的,而客观世界只有一个,不同的理论有不同的解释,哪一个理论的解释是正确的呢?更麻烦的是,同一个理论也包含了不同的解释。例如,狭义相对论的四维时空和广义相对论的四维时空完全不同,正确的答案只有一个,哪一种相对论的解释正确呢?

好的,我们先来看看狭义相对论的四维时空是什么样子的。

爱因斯坦认为,狭义相对论的四维时空像牛顿的空间一样地刚硬:狭义相对论和伽利略区域相关,亦即和其中没有引力场存在的区域相关,就此而论,一个伽利略参考物体(并非是以原来的空间作为参照系)在充当着参考物体(空间),这个参考物体就是一个刚体,其运动状态必须选择使得'孤立'质点(失去了绝对参照系的物体只具有质点性质,请注意作为匀速惯性系的火车车厢是没有内部空间的,在狭义相对论中所有非匀速参考系也同样没有内部空间,因为内部空间意味着是另一个绝对参照系)作匀速直线运动的伽利略定律相对于这个刚体是成立的。[爱因斯坦,《狭义与广义相对论浅析》,第73页

狭义相对论的时间不再遵守因果律,空间和时间合为一体,密不可分。我们可以这样理解时空:空间由经纬线编织的小格子(尺度可以是微米),每个空间尺度的小格子也是一个时间点。物体运作穿过多少空间尺度的距离,也就穿过了多少个时间点(即时间的"距离")。如果两个人沿直线(请注意!)并行运动,那么速度快的一方时间变慢,速度变快多少,时间就变慢多少,速度与时间快慢成正比。

看到这里,很多人会被狭义相对论的神奇而起立鼓掌了。且慢!总感觉哪里不对呢?原来狭义相对论并不包含引力。我们知道,任何物质有质量就会有引力,引力是宇宙最基本的作用力!引力会使狭义相对论的路轨(空间变得弯曲)变得弯曲而不再平直(最短的距离是直线),也就无法保持速度的恒定,也就不再是匀速运动的惯性系,狭义相对论就会崩溃(解释客观世界而存在的理论描述的世界与客观世界不相符,这个理论就失去了存在的价值)。

如何解决这个问题呢?

爱因斯坦只能引进引力项,空间将因引力而变曲,不再匀速运动的惯性系变为任意运动速度的参照系(请注意!)。爱因斯坦认为:以往我们假定(狭义)相对性原理只是对于这些参考物体(匀速运动的物体)才是有效的,面对于其他参考物体(非匀速运动的物体)则是无效的。在这个意义上我们说它是狭义相对性原理或狭义相对论……与此对比,广义相对性原理是所有参考物体k、k'等不论它们的运动状态如何,对于你知道相对论的四维时空到底是啥样的?描述自然现象(表述普遍的自然界定律)都是等效的……如果车厢的运动变为非匀速运动,例如加速或是猛然煞车……[爱因斯坦,《狭义与广义相对论浅析》,北京大学出版社,2006年,第48~49页]这就是广义相对论。

狭义相对论的刚性的四维时空也变成了广义相对论柔软的可变形的"软体动物"。这两种四维时空的差别在哪里呢?爱因斯坦在《广义相对相性原理的严格表述》中写道:在引力场中,并没有像具有欧几里得性质的刚体那样的东西,因此,(狭义相对论)虚设的刚性参考物体在广义相对论中是没有用处的……这个非刚性参考物体(空间)是(可以恰当地称作为'软体动物参考系')基本上相当于一个任意选定的高斯四维坐标系。与高斯坐标系比较,这个'软体动物'所具有的某些较易理你知道相对论的四维时空到底是啥样的?解之处,就是形式上保留了空间坐标和时间坐标的分离状态(这种保留实际上是不合理的)。我们把这个软体动物上的每一点当作一个空间点,相对于空间点保持静止的每一个质点就当作是静止的,如果我们把这个软体动物视为参考物体的话。广义相对性原理要求把所有这些软体动物都可以用作参考物体来表述普遍的自然界定律,在这方面,这些软体动物具有同等的权利,也可以取得同样好的结果;这些定律本身必须不随软体动物的选择而变异。"[爱因斯坦,《狭义与广义相对论浅析》,北京大学出版社,2006年,第74页]

简单地说,狭义相对论的刚性的经纬线编织的空间小格子变成了柔软的经纬线编织的空间小格子,每一个一个空间点就是一个时间点。星体的引力会引起周围空间产生扭曲变形,空间"变形",时间也"变形",时间也像一个柔软的可变形的"软体动物"。广义相对论的三维空间加一维时间构成的四维时空结构就像一只"软体动物",这就是时空弯曲,也是广义相对论的引力作用模型。

请注意,经典物理学的伽利略相对运动原理是物体参照空间的作绝对运动,而相对论之所以称之为相对论,是判断物体是否处于运动状态取决于与另一个物体为参照而与空间无关。狭义相对性原理狭义相对论和广义相对论的区别是,一个是两个匀速运姚纪娜动的物体之间相互参照来确定是否运动;一个是非匀速运动的物体之间相互参照来确定是否运动。狭义相对论和广义相对论的共同点是这个理论所能描述的物体(参照系)不能超过两个。

人类只有一个宇宙,只需要一个能够自洽解释这个客观世界的理论。哪一种理论的解释正确呢?不扯远了!我们今天的问题是,哪一种相对论的解释正确呢?这无疑是一个智力问题!

客观世界并不存在平直和刚性的空间,这意味着狭义相对论不适用这个客观世界。那么,是否存在柔软的可变形的空间呢?问题是,如果空间是空无一物的真空,那么,空间弯曲是什么物质在弯曲呢?海市蜃楼是时空弯曲的结果吗?天空中的水汽密度异常引起光的折射也是因为时空弯曲吗?一块凸透镜也是一个弯曲的时空吗?什么都没有怎样谈得上弯曲不弯曲吗?

还有,在空无一物的真空中引力如何传递呢?宇宙中其他三大基本作用力如何相互作用?虽然牛顿的引力理论非常成功,但是超距作用这个难题困扰了牛顿一生。同样,爱因斯坦也被这个问题困扰了一生(只有智力有缺陷的人才会对这个问题视而不见)。对爱因斯坦来说还有一个问题,引力波是什么东西在波动呢?如果坚持空间是空无一物的真空,那么,这些问题完全无解,没办法,爱因斯坦只能让被他埋葬的以太复活,这就是"广义相对论以太"。但是,如果以太复活,那么所有建立在真空基础上的理论都会崩溃。因此,这个"广义相对论以太"被后世的粒子学家们悄悄冷藏,讳莫如深,所你知道相对论的四维时空到底是啥样的?以知道这个名词的人不多。

《人类简史》的作者尤瓦尔赫拉利在2017年指出:"尊重知识、听取学者意见很好,但发展到崇拜任何人的程度都很危险,包括崇拜学者。一个人一旦被推崇为先知或权威,他(她)自己都可能信以为真,进而变得骄傲自大,甚至陷入疯狂。对追随者而言,一旦他们信奉某人为权威,便会自我设限,停止努力,只期待着偶像来告诉他们全部问题的答案和解决方法。即使答案是错误的、方法是糟糕的,他们也会通盘接受。"智慧从怀疑开始,真正的科学精神是怀疑与批判。终极理论不会是一个全新的理论,它就藏在现有的理论之中,当我们以客观逻辑为工具,就能在错综复杂的观点中找出宇宙真实的脉络。

和《七堂极简物理课》这类无立场解读的科普书不同的是,《一只大象——体系与体系的对话》这本书以旁观者的角度对物理学发展史进行了重新梳理,还原了一些不为人知或被扭曲的历史细节,提醒人们注意"证实性偏见"的危害性。这本书并非严谨的学术著作,仅为读者提供一个了解物理学的新视角,希望能够给喜爱物理学的同学们带来启发。

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