英國“我超愛科學(xué)”網(wǎng)站1月1日刊登題為《什么是“時(shí)空連續(xù)體”？》的文章，作者是斯蒂芬·倫茨，內(nèi)容編譯如下：
“時(shí)空連續(xù)體”(space-time continuum)是源自于大多數(shù)人聽說過卻未必完全了解的相對論的一個(gè)概念，就像相關(guān)的公式E=mc2一樣。科學(xué)文獻(xiàn)維持著人們對這兩個(gè)概念的了解，但科幻小說和由此產(chǎn)生的網(wǎng)紅用語則更多地讓人們對兩者保持印象。遺憾的是，時(shí)空概念比起著名的愛因斯坦方程要難以理解得多，但這并不意味著任何沒有大學(xué)物理學(xué)學(xué)位的人必須把它當(dāng)作匪夷所思的東西。
在科幻小說《生命、宇宙及一切》一書中，作者道格拉斯·亞當(dāng)斯通過關(guān)于“時(shí)空連續(xù)體中的漩渦”的討論帶給讀者巨大的樂趣。如同雙關(guān)語和謬論一樣，好笑的是人們通常聽說過時(shí)空連續(xù)體，卻不知道它究竟是什么。
從某種意義上說，這個(gè)概念很簡單——時(shí)空是一個(gè)四維概念，即在三個(gè)空間維度之外增加了一個(gè)完全不同的時(shí)間維度。時(shí)空體系中的事件用四個(gè)坐標(biāo)表示：其中三個(gè)坐標(biāo)依據(jù)的是事件發(fā)生的位置(相對于某個(gè)規(guī)定的起點(diǎn))，而第四個(gè)坐標(biāo)是事件發(fā)生的時(shí)間。
盡管愛因斯坦讓時(shí)空概念基本貫穿于相對論的始終，但物理學(xué)家們在之前的若干年里就一直在試探性地考慮某個(gè)統(tǒng)一的時(shí)空體系概念——其中，時(shí)間被當(dāng)作第四個(gè)維度，包括杜撰出“時(shí)空”(space-time)一詞。空間維度和時(shí)間維度通過光速(在真空中)統(tǒng)一起來，從而確保某個(gè)事件的結(jié)果經(jīng)過一定時(shí)間才能在其他地方被感受到。
大多數(shù)人對這一概念的疑問是我們所體驗(yàn)的時(shí)間與長度、寬度、高度如此截然不同，以至于整個(gè)概念看起來很荒謬。例如，如果我們意識到我們在某個(gè)特定方向上走得太遠(yuǎn)，我們通常可以掉頭回去。我們希望同樣的情況在時(shí)間維度上也能發(fā)生。科幻作家烏爾蘇拉·勒吉恩曾聰明地提出一種時(shí)空連續(xù)體異常現(xiàn)象的概念，即時(shí)間即將耗盡——因?yàn)樗坪鯊膩矶紱]有足夠的時(shí)間，同時(shí)指出在其他維度上卻觀察不到同樣的情況。
物理學(xué)家難以解釋為什么時(shí)間與其他維度如此不同。不過，時(shí)間作為第四個(gè)維度——盡管是一個(gè)特殊的維度——的地位是可以證明的。我們還知道，時(shí)間在某種程度上與其他三個(gè)維度存在關(guān)聯(lián)：沒有彼此作為參照，它們往往無法得到準(zhǔn)確的衡量。
按照我們在日常生活中的體驗(yàn)，把空間和時(shí)間分開處理并不是問題，這就是為什么時(shí)空概念如此違背直覺的原因。不過，倘若我們以接近光的速度相對于某個(gè)對于我們重要的事物移動，情況將截然不同。
狹義相對論的一個(gè)重要特征是，當(dāng)以接近光的速度移動時(shí)，相對于某個(gè)靜止觀察者的體驗(yàn)，時(shí)間會放慢。同樣，在接近光速時(shí)，空間會在運(yùn)動方向上收縮。這意味著，如果以非常快的速度運(yùn)動的某人想要對兩個(gè)事件進(jìn)行測量，并把結(jié)果與運(yùn)動得較慢的某人的測量結(jié)果進(jìn)行比較，那么他們的結(jié)果會存在空間和時(shí)間兩方面的差距。不過，在用光速進(jìn)行時(shí)間和空間單位之間換算的情況下，兩個(gè)觀察者測量得到的將是相同的時(shí)空距離(假設(shè)他們進(jìn)行了精準(zhǔn)的測量)。
此外，這種時(shí)空連續(xù)體可能發(fā)生扭曲，例如在強(qiáng)大的引力影響下。引力不僅會扭曲空間，也會影響時(shí)間。盡管愛因斯坦提出這一概念時(shí)曾引發(fā)爭議，但現(xiàn)在可以證實(shí)巨大的質(zhì)量會造成時(shí)空翹曲——例如，通過對太空軌道上的時(shí)鐘與地球上的時(shí)鐘進(jìn)行比較。
對巨大質(zhì)量天體——例如脈沖星——互相環(huán)繞運(yùn)動的測量以越來越大的準(zhǔn)確性證實(shí)廣義相對論關(guān)于時(shí)空運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)理的預(yù)言。這樣的測量仍在進(jìn)行中，部分原因是存在廣義相對論的替代理論。不過，鑒于這些理論也認(rèn)可時(shí)間作為一個(gè)維度的性質(zhì)以及時(shí)間在空間維度連續(xù)體內(nèi)的存在，即便其中某項(xiàng)替代理論最終被證明更勝一籌，它也不會使時(shí)空概念失效。
英國“我超愛科學(xué)”網(wǎng)站1月1日刊登題為《什么是“時(shí)空連續(xù)體”？》的文章，作者是斯蒂芬·倫茨，內(nèi)容編譯如下：
“時(shí)空連續(xù)體”(space-time continuum)是源自于大多數(shù)人聽說過卻未必完全了解的相對論的一個(gè)概念，就像相關(guān)的公式E=mc2一樣。科學(xué)文獻(xiàn)維持著人們對這兩個(gè)概念的了解，但科幻小說和由此產(chǎn)生的網(wǎng)紅用語則更多地讓人們對兩者保持印象。遺憾的是，時(shí)空概念比起著名的愛因斯坦方程要難以理解得多，但這并不意味著任何沒有大學(xué)物理學(xué)學(xué)位的人必須把它當(dāng)作匪夷所思的東西。
在科幻小說《生命、宇宙及一切》一書中，作者道格拉斯·亞當(dāng)斯通過關(guān)于“時(shí)空連續(xù)體中的漩渦”的討論帶給讀者巨大的樂趣。如同雙關(guān)語和謬論一樣，好笑的是人們通常聽說過時(shí)空連續(xù)體，卻不知道它究竟是什么。
從某種意義上說，這個(gè)概念很簡單——時(shí)空是一個(gè)四維概念，即在三個(gè)空間維度之外增加了一個(gè)完全不同的時(shí)間維度。時(shí)空體系中的事件用四個(gè)坐標(biāo)表示：其中三個(gè)坐標(biāo)依據(jù)的是事件發(fā)生的位置(相對于某個(gè)規(guī)定的起點(diǎn))，而第四個(gè)坐標(biāo)是事件發(fā)生的時(shí)間。
盡管愛因斯坦讓時(shí)空概念基本貫穿于相對論的始終，但物理學(xué)家們在之前的若干年里就一直在試探性地考慮某個(gè)統(tǒng)一的時(shí)空體系概念——其中，時(shí)間被當(dāng)作第四個(gè)維度，包括杜撰出“時(shí)空”(space-time)一詞。空間維度和時(shí)間維度通過光速(在真空中)統(tǒng)一起來，從而確保某個(gè)事件的結(jié)果經(jīng)過一定時(shí)間才能在其他地方被感受到。
大多數(shù)人對這一概念的疑問是我們所體驗(yàn)的時(shí)間與長度、寬度、高度如此截然不同，以至于整個(gè)概念看起來很荒謬。例如，如果我們意識到我們在某個(gè)特定方向上走得太遠(yuǎn)，我們通常可以掉頭回去。我們希望同樣的情況在時(shí)間維度上也能發(fā)生。科幻作家烏爾蘇拉·勒吉恩曾聰明地提出一種時(shí)空連續(xù)體異常現(xiàn)象的概念，即時(shí)間即將耗盡——因?yàn)樗坪鯊膩矶紱]有足夠的時(shí)間，同時(shí)指出在其他維度上卻觀察不到同樣的情況。
物理學(xué)家難以解釋為什么時(shí)間與其他維度如此不同。不過，時(shí)間作為第四個(gè)維度——盡管是一個(gè)特殊的維度——的地位是可以證明的。我們還知道，時(shí)間在某種程度上與其他三個(gè)維度存在關(guān)聯(lián)：沒有彼此作為參照，它們往往無法得到準(zhǔn)確的衡量。
按照我們在日常生活中的體驗(yàn)，把空間和時(shí)間分開處理并不是問題，這就是為什么時(shí)空概念如此違背直覺的原因。不過，倘若我們以接近光的速度相對于某個(gè)對于我們重要的事物移動，情況將截然不同。
狹義相對論的一個(gè)重要特征是，當(dāng)以接近光的速度移動時(shí)，相對于某個(gè)靜止觀察者的體驗(yàn)，時(shí)間會放慢。同樣，在接近光速時(shí)，空間會在運(yùn)動方向上收縮。這意味著，如果以非常快的速度運(yùn)動的某人想要對兩個(gè)事件進(jìn)行測量，并把結(jié)果與運(yùn)動得較慢的某人的測量結(jié)果進(jìn)行比較，那么他們的結(jié)果會存在空間和時(shí)間兩方面的差距。不過，在用光速進(jìn)行時(shí)間和空間單位之間換算的情況下，兩個(gè)觀察者測量得到的將是相同的時(shí)空距離(假設(shè)他們進(jìn)行了精準(zhǔn)的測量)。
此外，這種時(shí)空連續(xù)體可能發(fā)生扭曲，例如在強(qiáng)大的引力影響下。引力不僅會扭曲空間，也會影響時(shí)間。盡管愛因斯坦提出這一概念時(shí)曾引發(fā)爭議，但現(xiàn)在可以證實(shí)巨大的質(zhì)量會造成時(shí)空翹曲——例如，通過對太空軌道上的時(shí)鐘與地球上的時(shí)鐘進(jìn)行比較。
對巨大質(zhì)量天體——例如脈沖星——互相環(huán)繞運(yùn)動的測量以越來越大的準(zhǔn)確性證實(shí)廣義相對論關(guān)于時(shí)空運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)理的預(yù)言。這樣的測量仍在進(jìn)行中，部分原因是存在廣義相對論的替代理論。不過，鑒于這些理論也認(rèn)可時(shí)間作為一個(gè)維度的性質(zhì)以及時(shí)間在空間維度連續(xù)體內(nèi)的存在，即便其中某項(xiàng)替代理論最終被證明更勝一籌，它也不會使時(shí)空概念失效。
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