什么是时空?

IT新视野 208 0
广告

什么是时空?

时空结构是一个概念模型,将空间的三个维度与时间的第四个维度结合在一起。根据当前最好的物理理论,时空解释了不寻常的相对论效应,这种效应是由接近光速传播以及宇宙中大型物体的运动引起的。

什么是时空?-第1张图片-IT新视野

谁发现了时空?

著名的物理学家爱因斯坦(Albert Einstein)帮助发展了时空概念,并将其作为相对论的一部分。在他的开创性工作之前,科学家有两种不同的理论来解释物理现象:根据美国宇航局的说法,艾萨克·牛顿的物理学定律描述了大型物体的运动,而詹姆斯·克莱克·麦克斯韦的电磁模型则解释了光的性质。

但是在19世纪末进行的实验表明,光线有一些特殊之处。测量表明,无论如何,光总是以相同的速度传播。1898年,法国物理学家和数学家亨利·庞加莱推测光速可能是无法超越的极限。大约在同一时间,其他研究人员正在考虑物体的大小和质量根据其速度而变化的可能性。

爱因斯坦在他的1905年的狭义相对论中将所有这些思想综合在一起,该理论假定光速是恒定的。为了做到这一点,必须将时间和空间组合成一个单一的框架,以使所有观察者的光速保持一致。

与以慢得多的速度行进的人相比,超快火箭中的人将测量出行进速度较慢的时间和物体的长度较短。那是因为空间和时间是相对的-它们取决于观察者的速度。但是光速比任何一个更为根本。

爱因斯坦本人并没有得出有关时空是单一结构的结论。这个想法来自德国数学家赫尔曼·明科夫斯基,他在1908年的一次座谈会上说:“由此而来的空间和时间本身注定会淡化为阴影,只有两者的一种结合才能保持独立的现实。 ”。

他描述的时空仍被称为Minkowski时空,并作为相对论和量子场论计算的背景。根据天体物理学家和科学作家伊森·西格尔的说法,后者将亚原子粒子的动力学描述为场。

时空如何运作

如今,当人们谈论时空时,他们经常将时空描述为类似于一块橡胶。这也来自爱因斯坦,他在发展广义相对论时意识到,重力是由于时空结构中的曲线引起的。

巨大的物体(例如地球,太阳或您)会造成时空扭曲,从而导致其弯曲。这些曲线反过来限制了宇宙万物的移动方式,因为物体必须沿着弯曲的曲率沿着路径运动。由于重力而产生的运动实际上是沿着时空的曲折运动。

美国宇航局的一项名为重力探测器B(GP-B)的任务在2011年测量了地球周围时空涡旋的形状,发现它与爱因斯坦的预测非常吻合。

但是,对于大多数人来说,这仍然很难解决。尽管我们可以将时空讨论得像一块橡胶,但这种类比最终还是破裂了。橡胶片是二维的,而时空是二维的。图纸所代表的不仅仅是空间扭曲,而且时间扭曲。用来解释所有这些的复杂方程对于物理学家来说都是棘手的。

天体物理学家保罗·萨特在网站上写道:“爱因斯坦制造了一台漂亮的机器,但他并没有完全给我们用户手册。” “仅仅为了说明这一点,广义相对论是如此复杂,以至于当有人发现方程式的解时,他们得到了以它们命名的解,并且本身就变成了半传奇式。”

尽管相对复杂,相对论仍然是解释我们所知道的物理现象的最佳方法。然而,科学家们知道他们的模型是不完整的,因为相对性仍未与量子力学完全协调一致,这以极高的精度解释了亚原子粒子的性质,但并未考虑重力。

量子力学基于这样一个事实,即组成宇宙的微小部分是离散的或量化的。因此,构成光的粒子光子就像一小束光,以不同的包形式进入。

一些理论家推测,时空本身也可能出现在这些量化的数据块中,这有助于弥合相对论和量子力学。欧洲航天局的研究人员提出了进行时空量子探索的伽马射线天文学国际实验室(GrailQuest)任务,该任务将在我们的星球上飞行,并对称为伽马射线爆炸的遥远,强大的爆炸进行超精确的测量,可以揭示时空的近距离本质。

这样的任务至少要十年半才能启动,但如果成功了,它将有助于解决物理学中一些最大的谜团。

抱歉,评论功能暂时关闭!