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科学网什么是时空?

产品简介 : 时空结构是空间三维与时间四维相结合的概念模型(conceptual model)。根据目前最好的物理理论,时空解释了接近光速
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产品介绍

 


 

时空结构是空间三维与时间四维相结合的概念模型(conceptual model)。根据目前最好的物理理论,时空解释了接近光速旅行以及宇宙中大质量物体的运动所产生的不寻常的相对论效应。
谁发现了时空?
著名物理学家阿尔伯特·爱因斯坦帮助发展了时空概念,并将其作为相对论的一部分。据美国宇航局称,在他的开创性工作之前,科学家们有两种不同的理论来解释物理现象:艾萨克·牛顿的物理定律描述了大质量物体的运动,而詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的电磁模型则解释了光的性质。
但在19世纪末进行的实验表明,光有其特殊之处。测量结果表明,不管怎样,光总是以同样的速度传播。1898年,法国物理学家和数学家亨利·邦加推测光速可能是一个无法超越的极限。大约在同一时间,其他研究人员正在考虑物体大小和质量变化的可能性,这取决于它们的速度。
爱因斯坦在1905年的狭义相对论中把所有这些想法结合在一起,该理论假设光速是一个常数。为了实现这一点,空间和时间必须结合成一个单一的框架,共同保证所有观测者的光速不变。
乘坐超高速火箭的人与慢得多的速度旅行的人相比,测量出的移动速度要慢,物体的长度要短。那是因为空间和时间是相对的——它们取决于观察者的速度。但是光速比任何一种都重要。
时空是单一结构的结论不是爱因斯坦自己得出的。这个想法来自德国数学家赫尔曼·明科夫斯基(Hermann Minkowski),他在1908年的一次座谈会上说,“从今以后,空间本身和时间本身注定会消失成纯粹的阴影,只有两者的结合才能保持一个独立的实相。(Henceforth space by itself, and time by itself, are doomed to fade away into mere shadows, and only a kind of union of the two will preserve an independent reality)”
他所描述的时空仍然被称为Minkowski时空,并作为相对论和量子场论计算的背景。据天体物理学家、科学作家伊桑·西格尔介绍,后者将亚原子粒子的动力学描述为场。
时空工作原理
如今,当人们谈论时空时,他们常常把它描述成一块橡皮(a sheet of rubber)。这同样来自爱因斯坦,他在发展广义相对论时意识到引力是由时空结构中弯曲引起的。
像地球、太阳或你这样的大质量物体在时空中造成扭曲,导致它弯曲。这些弯曲反过来又限制了宇宙万物的运动方式,因为物体必须沿着弯曲的曲面走。重力引起的运动实际上是沿着时空的弯曲运动。
2011年,美国宇航局的一个名为重力探测器B(GP-B)的任务测量了绕地球的时空漩涡的形状,发现它与爱因斯坦的预测非常吻合。
但对于大多数人来说,这其中的大部分仍然难以理解。尽管我们可以把时空比作一块橡皮,但这种类比最终还是失败了。橡胶片是二维的,而时空是四维的。其所代表的不仅仅是空间上的扭曲,还有时间上的扭曲。对于物理学家来说,用来解释所有这些的复杂方程是很难处理的。
“爱因斯坦制造了一台漂亮的机器,但他并没有给我们留下用户手册(Einstein made a beautiful machine, but he didn't exactly leave us a user's manual,),”天体物理学家保罗·萨特在生命科学的姊妹网站Space.com上写道: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的解时,他们会得到以方程命名的解,并以自己的名义成为传奇的一部分。”
科学家还不知道的是
尽管它错综复杂,相对论仍然是解释我们所知道的物理现象的最好方法。然而,科学家们知道他们的模型是不完整的,因为相对论仍然没有完全与量子力学相协调,量子力学以极高的精度解释了亚原子粒子的性质,但没有包含重力。
量子力学的基础是构成宇宙的微小部分是离散的,或者说是量子化的。所以光子,构成光的粒子,就像一小片光,以不同的包形式出现(the tiny bits making up the universe are discrete, or quantized. So photons, the particles that make up light, are like little chunks of light that come in distinct packets)。
一些理论家推测,也许时空本身也存在于这些量子化块中,有助于架起相对论和量子力学之间的桥梁(perhaps space-time itself also comes in these quantized chunks, helping to bridge relativity and quantum mechanics.)。欧洲航天局的研究人员提出了伽马射线天文学国际空间时间量子探索实验室(GrailQuest)的任务,该实验室将绕着我们的星球飞行,并对称为伽马射线爆发的遥远而强大的爆炸进行超精确的测量,这些爆炸可以揭示时空的最接近性质。这样一个任务至少在十五年内不会启动,但如果它启动了,也许会有助于解决物理学中仍然存在的一些最大的谜团。



What Is Space-Time?

https://www.livescience.com/space-time.html