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時間、空間與物理學(xué)

2023-04-04 22:30 作者:晨-北-辰  | 我要投稿


PS:學(xué)校征文寫了一篇類科普的物理文章,今天心血來潮發(fā)出來,請輕噴(是高中生)

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(1)時間并不絕對

??老師們常常用這樣一句話來勉勵我們“每個人一天的時間都是二十四小時,看你們怎么把握?!笔聦?shí)上,時間真的絕對嗎?要探究這個問題前,我們要先通過科普了解光。

??我們通過高中物理選修一、二了解到。變化的磁場產(chǎn)生電場,變化的電場產(chǎn)生磁場。一位偉大的物理學(xué)先驅(qū)麥克斯韋這樣想到:用線圈弄一個震蕩的電流,這個電流會產(chǎn)生一個周期性的磁場,這個磁場會產(chǎn)生一個周期性的電場,以此往復(fù)即為電磁波。用麥克斯韋方程組計算得出電磁波的速度為光速。(麥克斯韋預(yù)測,光的本質(zhì)是電磁波,后被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證)。而我們都知道,速度與參考系有關(guān),我們在題目中也可以通過變換參考系來簡化變量數(shù)目。那么問題來了,這個光速是相對于誰的呢?我找到了相關(guān)的科普。

猜想一:相對于光源。但天文學(xué)上能夠觀測到清晰的雙星系統(tǒng)否定了這一猜測(兩個行星一個背向地球運(yùn)動,另一個面向地球運(yùn)動。那么面向地球運(yùn)動的行星發(fā)出的光就應(yīng)該比另一顆的速度更快(相對于地球),也就是說存在更快的光追上更早發(fā)出但更慢的光的現(xiàn)象,所以我們就看不清,但事實(shí)與此相悖)

猜想二:相對于以太(以太是一種科學(xué)家們假想出來的物質(zhì),看不見摸不著)。如果猜想正確,那么以太就必然有一個速度方向,那么宇宙中必定存在相對于以太靜止的物體(絕對靜止)(與以太同速度方向且速度大小相等的物體),同時也必然存在方向讓光速稍微變大或者稍微變?。ㄍㄟ^參考系實(shí)現(xiàn))。美國科學(xué)家阿爾伯特.亞伯拉罕發(fā)明了一個方法,將一束光分為互相垂直的兩束光,如果兩束光速度相等,經(jīng)過鏡子反射后會形成一個完美的干涉條紋,如果不相等則會形成一團(tuán)漿糊。最后實(shí)驗(yàn)證明不存在以太。

而這個問題在愛因斯坦1905年的《論運(yùn)動物體的電動力學(xué)》中得到了答案?!肮馑俨蛔儭薄?/p>

作為學(xué)生,我無力去探究背后的原理,姑且將它作為底層邏輯。光速不變的后果可想而知,這一點(diǎn)在高中物理學(xué)中也有提到。即“運(yùn)動中的物體的時間會相對更慢一些”。也即是說,在無關(guān)變量保持不變的情況下,喜歡運(yùn)動的人更長壽(只有微不足道的一點(diǎn)點(diǎn)),“生命在于運(yùn)動”誠不欺我。并且運(yùn)動中的人感受不到這一點(diǎn)(游輪假想實(shí)驗(yàn))??梢哉f時間并不是公平地對待所有人,至少更偏愛于喜歡運(yùn)動的人。

從這些我們可以看出,速度越大,時間流逝得越慢。當(dāng)速度達(dá)到光速時,運(yùn)動中的人可以等效于時間停滯。而通過這個公式我們也自然地得出宇宙存在光速極限。人們無法穿越回過去。

(2)空間并非感知

??????我曾經(jīng)想過這樣一個問題,為什么去其他地方的航班在世界地圖上看往往要繞遠(yuǎn)路而非直線?事實(shí)上飛機(jī)所走的線路才是最短的,即“測地線”連接兩個地方之間的最短路線。除了兩物體距離并非我們直接感知的那樣。對于同一物體間的距離也并不一定。通過一個著名的思想實(shí)驗(yàn)“雙生子”我們可以更方便的意識到一點(diǎn)。通過上文我們得到了時間的相對性的結(jié)論。那么自然地,因?yàn)槭虑榘l(fā)生本身絕對(即無論對雙生子中的觀測者弟弟還是飛船中的哥哥來說,哥哥以0.8c的速度從A到B的事件是絕對的),但兩人經(jīng)歷的時間并不相同,因此距離也變得相對起來。即“尺縮效應(yīng)”。那么我們可以漫無邊際的幻想“也許古籍中的縮地成寸說的就是這個原理”(理論上,只要你用光速的0.01倍邁出左腳,就可以一步跨到校園避免遲到)

(3)時空的交錯

??在通過科普了解了以上知識后,我們發(fā)現(xiàn)可以用四個點(diǎn)來確認(rèn)生活中的一個事件。即時間點(diǎn)+地點(diǎn)。即時空坐標(biāo)。我們通常猜想的四維就是在空間的基礎(chǔ)上再加入一個時間軸。為了方便想象,我把三維空間壓縮成一維,即用一個點(diǎn)可以表示位置。這樣我們可以得到一個時空坐標(biāo)圖,這樣可以方便理解三體中的一句話“光錐之內(nèi)即是命運(yùn)”。我們可以想象把x作為空間軸,y作為時間軸。可以看到對于一個點(diǎn),他的“命運(yùn)”即是以他現(xiàn)在這個時刻所處的空間為起點(diǎn),向上下成錐形延伸。隨著時間的向前向后推移,這個光錐的橫截面積會越來越大?!斑^去的無數(shù)因成就現(xiàn)在的唯一果,現(xiàn)在的唯一因又發(fā)展為未來的可能性”。同時,因?yàn)樾畔鬟f不能超光速。我們無法影響到光錐之外的事情和命運(yùn)。聯(lián)系到宇宙隨時隨地擴(kuò)展,因此有一個悲哀的猜想,“也許宇宙中還存在其他文明,但我們彼此分處與宇宙兩極,當(dāng)宇宙擴(kuò)展的速度超越了光速,我們無法超光速傳遞信息,我們就被困在一個彼此不可能相知的光速囚籠?!薄叭祟愂且活^孤獨(dú)的抹香鯨?!? ? ??


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