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时空是如何运作的?谁发现了时空?

2019-12-26 09:24:55  来源:新浪科技

北京时间12月26日消息,据国外媒体报道,时空(时间-空间)结构是三维空间与四维时间相结合的概念模型。根据目前最好的物理理论,时空解释了物体在接近光速时产生的不同寻常的相对论效应,以及宇宙中大型物体的运动。

谁发现了时空?

著名的物理学家阿尔伯特·爱因斯坦在他的相对论中拓展了时空的概念。在他的开创性工作之前,科学家用两种不同的理论来解释物理现象,分别是牛顿的物理定律和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的电磁模型,前者描述了大质量物体的运动,后者则解释了光的属性。

然而,在19世纪末进行的实验表明,光有其特殊之处。测量结果显示,无论发生什么情况,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·庞加莱(Henri Poincare)推测,光速可能是一个无法超越的极限。大约在同一时间,其他研究人员也在思考物体的大小和质量随速度变化的可能性。

爱因斯坦在1905年提出了狭义相对论,将所有这些观点综合在一起。狭义相对论假设光速是一个常数,要做到这一点,空间和时间必须结合成一个单一的框架,保证所有观察者看到的光速是相同的。

一个乘坐超高速火箭的人,与一个以慢得多的速度旅行的人相比,其观察到的时间流动将更慢,物体的长度更短。这是因为空间和时间是相对的,都取决于观察者的速度。因此,光速是比这两者更基本的概念。

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·闵可夫斯基(Hermann Minkowski),他在1908年的一次学术会议上说:“从今以后,单是空间或是时间,都注定要隐没入阴影之中,只有二者的结合才能维系一个独立的现实。”

他所描述的时空仍然被称为闵可夫斯基时空,是相对论和量子场论的计算背景。天体物理学家和科学作家伊桑·西格尔(Ethan Siegel)表示,在量子场论中,亚原子粒子的动力学被描述为场。

时空是如何运作的?

如今,当人们谈论时空时,他们通常把它描述成像一张橡皮膜。这也来自于爱因斯坦,他在发展广义相对论的过程中认识到,引力的产生是由于时空结构中的弯曲。

巨大的物体——如地球、太阳等——都会在时空中造成扭曲。这些弯曲反过来又限制了宇宙中所有物体运动的方式,因为物体必须沿着弯曲的曲率运动。引力引起的运动实际上是沿着弯曲的时空在运动。

2011年,美国国家航空航天局(NASA)的引力探测器B(Gravity Probe B,简称GP-B)任务测量了地球周围时空漩涡的形状,发现其与爱因斯坦的预测非常吻合。但对大多数人来说,时空结构的弯曲仍然难以理解。虽然我们可以把时空比作一张橡皮膜,但这种类比最终还是站不住脚。橡皮膜是二维的,而时空是四维的。这张膜不仅要代表空间上的扭曲,也要代表时间上的扭曲。对物理学家来说,用来解释这一切的复杂方程组也很棘手。

“爱因斯坦制造了一台漂亮的机器,但他没有给我们留下用户手册,”天体物理学家保罗·萨特(Paul Sutter)写道,“为了让大家能够理解,广义相对论已经变得十分复杂,以至于当有人发现方程的解时,他们就会以自己名字为其命名,并凭借自己的能力成为半传奇人物。”

科学家还不知道的

尽管相对论十分复杂,但它仍然是解释我们已知物理现象的最佳理论。不过,科学家也知道目前的模型仍是不完整的,因为相对论仍然没有完全与量子力学相统一。量子力学非常精确地解释了亚原子粒子的属性,但并没有包含万有引力。

量子力学基于这样一个事实:组成宇宙的微小粒子是离散的,或者说量子化的。因此光子(组成光的粒子)就像小块的光,以不同的方式出现。

一些理论物理学家推测,或许时空本身也以这些量子化的块体形式存在,这将有助于架起相对论和量子力学之间的桥梁。欧洲空间局(ESA)的研究人员提议成立“用于时空量子探索的伽马射线天文学国际实验室”(Gamma-ray Astronomy International Laboratory for Quantum Exploration of Space-Time,简称GrailQuest),这项任务将绕着地球飞行,对遥远宇宙的伽马射线暴进行超精确测量,从而进一步揭示时空的性质。

这样的任务至少要15年以后才会发射,但如果发射成功,它很可能将帮助科学家解决物理学中最大的谜团。(任天)

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