三、四维时空中光路和时间流逝的弯曲效应
先来看光束 。在零点时,光束位于空间中的一点 。一秒后,它移动了30万公里,水平面上的一个刻度 。但在三维时空中,它还向上移动了一个刻度 。因此在这一秒钟后的时空中 , 光束是沿着一条倾角为45度的路径运动的 。
再看地球 。一秒钟后 , 它运动了30公里 。因此地球在三维时空中的运动路径(即世界线,爱因斯坦把粒子在四维时空中的运动轨迹称作世界线 。这里已简化成三维时空 。)比光束的倾斜角度要小得多,仅为20角秒左右 。对于普通观测者来说 , 光束很明显沿对角线移动,而地球则沿直线上升,几乎是垂直的 。
现在让太阳加入其中 。在这个简化模型中 , 太阳在空间是不动的,速度为零 。所以,它在三维时空的移动路径正好是垂直的 。但是,太阳的质量在时空中制造了一个很小的弯曲,因此,光束的世界线和地球的世界线都被轻微地弯曲了一点 。
由于光速极快,光束几乎立刻离开了这个被太阳质量弯曲的时空 。光束的对角世界线只被轻微弯曲了 , 持续时间极短,光束马上又沿直线路径离去,保持45度倾角,方向与之前略微不同 。投影到二维空间的水平面上,光束的轨迹有轻微的改变 。
然而 , 地球仍停留在弯曲的时空区域内 。它在时空中沿着几乎垂直的路径运动,保持20角秒的倾角 。由于太阳质量场的曲率,这个小倾角方向一直缓慢变化 。一年后,地球走完了绕日轨道的一周,对应的空间中才走了9.46亿公里的距离 , 花了3150万秒的时间 。地球在时空中的螺旋形世界线几乎很难用肉眼与直线区分开来,它依然是一条几乎完美的直线 。这是因为太阳质量不是特别大,引起的时空弯曲也就很小 。
如果我们忽略时间维度,把地球一年运动的世界线投影到二维空间 , 地球的轨迹可以说被弯曲得很厉害,直到变为我们所知的圆形轨道 。与此同时 , 那一束高速运动的光线,已经飞了9.46万亿公里(1光年)的距离 , 早已不知去向 。
四、结束语
显然,爱因斯坦的四维时空是一个全新的概念 。他对空间和时间的洞见彻底改变了物理学家对引力和宇宙的理解 。这些四维时空的特性又都是我们日常的直觉难以理解的 。
【四维看男孩女孩诀窍fm 四维看男孩女孩诀窍】当我们接触到有关黑洞、超强时空弯曲以及引力波等物理概念时,我们不能只相信自己的直觉 。如果我们相信爱因斯坦的理论 , 就应该接受他的四维时空的概念 。三维空间与一维时间本质上是一个不可分割的整体,即四维时空 。四维时空中的空间、时间都是动态而非静态的,时空或宇宙不可能是稳态的 。物质分布的改变,时空的弯曲程度也会随之改变;时空曲率的改变,物质运动也会随之改变 。
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