四维时空中一切物体的运动速度都是光速!包括你我都以光速运动
看到这个题目,很多人可能一头雾水:我们怎么可能以光速运动呢?何况爱因斯坦的相对论早就表明,任何物体的运动速度都不可能达到超过光速。
是不是一脸懵逼?
不要惊讶,事实上却是如此,却是如题目所说。这里需要强调一点的是,题目中的"四维时空"很重要,是前提条件。我们需要明白四维时空与三维空间的本质区别,不然真的会懵逼。
日常生活中,我们经常会与速度打交道。很多人都经常开车,在市区开车,一般限速都在60公里。高速公路上限速基本都在120公里。
这里的速度,其实都是"空间"里的速度,也就是"三维空间"里的速度,只不过我们不会刻意强调"三维空间里的速度",因为我们默认就是三维空间。
那么,速度是如何计算的呢?
小学生都知道,速度等于距离(也就是位移)除以时间,按照这个公式计算,速度当然有快有慢。而且,爱因斯坦的狭义相对论确实强调:任何物体的速度都不会超越光速。
也就是在这种环境下,很多人对"万物在四维时空里都以光速运动"大为不解。
正如刚才所说,不理解的根本原因就在于"四维时空"与"三维空间"的区别,说白了,也是爱因斯坦相对论与牛顿经典力学的区别。
再强调一点,狭义相对论的背景是四维时空(闵可夫斯基时空 ),在四维时空里,最基本的要素是事件,也就是不断发生的事件。而事件本身就包含有两个要素:时间和空间,也就是一个时间坐标加上三个空间坐标。
在四维时空里,时间和空间是平等的,不可分割的,是一个整体。
我们平时所说的速度是三维空间里的速度,并不包括时间维度。而由于狭义相对论的背景是四维时空,而不是三维空间,所以,四维时空里的速度定义与三维空间里的速度定义完全不同,那么该如何定义呢?
基本公式是一样的,按照三维空间里速度的计算公式,四维时空中的速度是这样的:四维时空中的一个点运动到另一个点的"时空距离"除以时间,就是四维时空里的速度。
所以,可以看出,要计算四维时空里的速度,必须搞清楚"时空距离"(时空位移)和"时间"的概念。
如果你之前了解过"时空图"(或者世界线)的概念,就比较容易理解了。不了解也没关系,这里简单通俗地解释一下。
在四维时空里有四个坐标,也就是一个事件有四个坐标,我们用事件p1(x1,y1,z1,t1)来表示。同理,用p2(x2,y2,z2,t2)表示另一个事件,从p1移动到p2就是四维时空里的位移(时空距离)。
这与三维空间里的位移有本质区别。三维空间里只有空间上的位移,比如说我们经常说从一个地方到另一个地方。而四维时空里有四个坐标,包括三维空间坐标和一个时间坐标。
下面来个思想实验。
此刻的静静地坐在沙发上看这篇文章,从空间(三维空间)来看,你的坐标没有任何变化。但是从四维空间来看,你看这篇文章的过程中,时间坐标一直在发生着变化,也就是说时间一直在运动。
假设你早上7点钟开始看这篇文章,15分钟看完,也就是7点15分看完。
那么"早上7点坐在沙发上"与"早上7点15分坐在沙发上"其实就是两个不同的时空点,也就是两个不同的事件(四维空间里的事件)。
表面上你一动没动(一直坐在沙发上),实际上你一刻不停地在"运动",这种运动正是你在四维时空里的运动。
看到这里,或许你有点豁然开朗了。咱们继续。
在沙发上静止(三维空间里的静止)的你,速度为零。但在四维空间里,你的时间坐标一直在发生变化,一直在运动,所以你的速度肯定不是零。那么三维空间里静止的你的速度究竟是多少呢?
或许很多人都有预感:你的速度正是光速。
继续思想实验:闭上双眼,想象一下自己在时间长河里飞奔,所谓的"时间一去不复返"就是这个道理。我们每个人不仅仅在空间里运动,还一刻不停地在时间里飞行。
而且,我们可以在空间里静止不动(当然不是绝对的),但在时间维度里,我们绝对不能静止。
要想在时间维度静止怎么办?或许有人已经知道答案了:除非你在空间维度能以光速飞行!
越来越接近答案了。
在空间维度以光速飞行,时间就静止了。这不就是爱因斯坦狭义相对论表达的"时间膨胀"(钟慢效应)吗?
时间膨胀强调:速度(空间速度)越快,时间就越慢。反过来就是:速度越慢,时间就越快。
速度最慢是多少呢?当然是零。速度为零,就是空间上的静止。速度为零时,时间流逝的速度最快,也就是光速!
也就是说:即便你坐在沙发上一动不动(空间上静止),在时间维度上你仍旧以光速运动!
说白了,想要时间变慢,就需要快速在空间上运动。想要时间流速变快,只需要空间上的速度尽量变慢就可以了。
四维时空里的速度必须保持光速。可以这样理解:在四维时空里,空间里的速度与时间的速度的"矢量之和"保持光速不变。
空间速度和时间速度,就好像我们学数学时经常计算的速度叠加一样。在三维时空里,不同方向上的两个速度叠加之后的速度都会发生变化,但在四维时空里,空间速度与时间速度叠加之后的速度等于光速,保持恒定!
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