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什么是时空?世界上最远的距离是你我近在咫尺,却处于不同的时空

时空就是时空+空间,然而这样的回答是片面的。用一句话来形容时空、理解时空就是“世界上最远的距离是你我近在咫尺,却处于不同的时空。”

时空是什么?时空就是时空+空间,这就是基本定义,然而这样的回答是片面的。如果用一句话来形容时空、理解时空就是“世界上最远的距离是你我近在咫尺,却处于不同的时空。”这是爱因斯坦的时空观,这是一个十分有趣的事情,源于《相对论》,一旦你理解了它,你会发现你就不是以前的你了,而且你再也回不去了。下面我通俗的来聊聊时空。

什么是时空?世界上最远的距离是你我近在咫尺,却处于不同的时空

不同的时空观

如果不理解相对论,大部分人会认为全世界,全宇宙大家的时间观都是一样的,就是我的手表走过一个指针是一秒,你的手表也是,而且时间匀速向前流动,就像一支箭一去不复返。空间也同样如此,你按着尺子在地上量出一米是这么大,在我这里一米同样这么大。如果你认同这点,那么说明你认同了牛顿与伽利略经典力学中的时空观,绝对时空,大家的时间和空间都是一样的,我们生活在同一个世界之中。

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记住这点很重要:在经典物理学中,你可以单独说地点,而没必要说时间,因为时间与空间是独立的纬度,时间大家都一样,北京现在8点,上海必然也8点。你到达目的向家人报平安,可以说我到哪了,而不需要说现在几点了(忽略时区)。

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接下来我们说说能让人疯掉的爱因斯坦时空观,我们先说观点再简单论证。爱因斯坦认为时间与空间是不可分割的,因为“时间是相对的”。这意味着不同的人,手表指针走的速度是相对的,比如你走得比较快,我走得比较慢,还有就是一件事在我看来刚发生,再你看来过了一段时间才发生,叫做同时性被打破。

你会发现,在爱因斯坦的时空观中,我们并非“同一个世界的人”。我们拿坐标系来举个例子:

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用最简单的一维空间(二维时空),我们通常一轴为时间,一轴为空间。在绝对时空中,我们大家可以共用一个坐标系,比如我在x轴3的位置,你在4的位置,咱俩相差1个单位的空间距离,y轴作为时间轴,我们的时间是同步的,单位是一样的。

如果时间是相对的,那么由于时间流速不一样,我的手表走得慢时间单位间隔就会比你的大,因为同时性被打破,如果在你坐标系黑点(1,1)的位置发生了事件A,那么在我的看来并非在(1,1)发生的。

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在爱因斯坦的《相对论》中,空间也是相对的。如果我们按各自相对的时空画坐标系就会出现单位间隔不同,两个坐标系无法完美的重合在一起,也就是说我们需要各自的坐标系,不能往一起放,就像上面说的那句:我们并非同一个世界的人。当然这只是一个比喻,世界即为时空,我们所处的时空不同。

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时空取决于两个因素,一种是时空本身的几何性质,比如我把时空画成网格,有物质的地方网格机会发生几何(黎曼几何)形变,也就是惠勒说的:质量告诉时空如何扭曲,时空告诉物质如何运动,这就是广义相对论中的引力,它不是力,只是时空的几何性质,由于引力扭曲了时空,时空发生形变之后时间与空间的维度会发生变化,因此有了引力时间膨胀。诺兰大神导演的硬核科学电影《星际穿越》中,父亲乘坐飞船去往引力更强的星球与黑洞附近,经历了几个星期回来之后发现他的女儿已经垂垂老矣,因为父亲的时间膨胀了。

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另外一种就是速度时间膨胀,也称作动钟变慢。在一个很大的广场上,我做在一辆未来汽车上高速的在广场上运动着,而你静止在广场上。我在绕圈跑,经常与你透过车窗擦肩而过,然而我们并不在同一时空之中。在你看来车上的时钟走得比你的手表要慢,如果车速可以无限接近光速,你会看到我车里的时钟似乎不走字了。如果速度稍微慢点,你会发现当车里的时钟好不容易走了一秒钟,而你已白发苍苍,而对于车里的我来说,我仅仅只是过去1秒钟,喘了一下气而已。你看,即使我们很近,但是我们的时空却不同。

为什么会这样?

这一切都源于“光速是绝对的”,光速的恒定打破了绝对时间观。如果按牛顿认为时间是绝对的,时间需要一个参照物,只能找绝对的事物,可以说时间与光速是绝对静止或绝对匀速的,换句话说我们可以把光速看作时间的一把尺子,这就像我说这里是一米,想要确定就需要拿一把尺子来量,那么尺子的大小又需要跟真正的一米去比对才能制造出来,而比量时间跨度的尺子就是光速,因为只有它俩是绝对的。

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而绝对的事物有一个问题,就是无论是高速运行的人,还是静止不动的人看来光速都是一致的。那在静止的人看来高速运动的人时间就慢了。有点抽象,再举一个例子:

你站在高铁站上,高铁从你身旁驶过,某一节车厢正中间有一盏灯,发出灯光。

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因为光速是绝对的,车厢上的人会看到光同时到达两边。

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在你看来,情况却不一样,由于高铁在动,光速绝对,因此光会先到达车尾,这就是同时性被打破了。

最后

牛顿所谓的绝对时间,我认为应该说是时间对于每个独立的个体或物质来说是绝对的,我如果能活100岁,即使我跑到黑洞边上,即使我速度再快,当我自己手上的手表走过100年,我就寿终正寝了。对于不同的物质、个体、甚至是一个静质量不为零的粒子来说时间都是相对的,因为我们都有各自独立的时空,即使是近在咫尺的一粒沙子,都不会与我处于相同的时空之中——一沙一世界。我们处于同一世界之中,但身边就像有一个无形泡泡包裹着我们,这个泡泡就是我们每个人的时空。

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