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时间与空间的颠覆!如何用简单的方式了解“相对论”?

时间不再绝对?牛顿与爱因斯坦的时间观差异

请用简单的方式告诉我“相对论”是什么?

老师:狭义相对论源自相对性原理(Principle of relativity,指物理定律〔Physical law〕适用于所有以等速直线运动的物体) 与光速恒定原理。根据这个理论,时间是相对的,依不同观察者而有所差异。牛顿力学中的时间是绝对的,爱因斯坦则认为,可依不同的观察者位置对时间进行不同定义。

老师:之前在讨论“力”时,也提过离心力。离心力是“惯性力”的一种,惯性力指物体在加速运动时感受到的与加速方向相反的力。置身在没有窗户的电梯中,当电梯向上加速,电梯内的人会受到向下的惯性力(译注:因看不到外面,使得他无法判断电梯的运动情况)。若加速度为 g,物体质量为 m,则物体所受惯性力为 mg,与在地面所受的重力 mg 相同。爱因斯坦无法区别这两种 mg 的差异,所以视为等效。但无论惯性力的方向为何,物体都会往向量合成后的视重力场方向掉落。

时间在任何地方都固定不变吗?

世界上最快的速度是光速。物体的移动速度若接近光速,它的时间进程就会变慢。也就是说,在接近光速的太空船上,时间会变得悠长。而且,接近光速的物体长度会朝行进方向收缩。

物体只要具有质量,即使在静止状态依然拥有能量(其能量 E = mc2),称为静止能量(Rest energy)。

提到光的运动,我们已经知道光的路径会弯曲。

1919 年,天文学家观测到恒星发出的光线在经过太阳附近时被偏折,这种现象称为“重力透镜效应”(Gravitational lens),有助于了解黑洞等宇宙中质量分布的情况。此外,天体物理学家也观测到时间的延迟。简而言之,接近地面的时钟行进速度会比高处的时钟慢,GPS 也是依据这种效应来进行校正。

时间

牛顿力学中的“时间”(也就是我们一般理解的时间)和相对论中的时间大异其趣。牛顿在《自然哲学的数学原理》(Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica,1687)中,假设空间是均匀平坦的;从过去到未来,在任何地方都平均延伸。在牛顿力学中,全宇宙的时间一致。

但相对论否定了这一点。

光速恒定原理指出,光的速度是固定不变的。这种状况下,空间中不同地点发生的两件事,对某个观测者来说是同时发生,但对另一参考系的观测者而言则非同时发生。也就是说,时间的前进速度并非在任何地方都相同。因此,时间和空间不能视为各自独立的两回事,应该一体化,视为四维空间(时空,Spacetime)。

不过,这是指物体移动速度接近光速时的情况。日常生活中,使用过去的时间观不会有任何问题。

黑洞

黑洞(Black hole)是一种天体,因为密度极高,重力极强, 不只物质,连光都会被吸进去,无法逃逸。天体是宇宙中所有物体的总称,具体来说,指太阳、恒星、行星、星团、星云等。从相对论来看,黑洞周围空间是扭曲的。照以下方式想象应该会比较容易理解:

把重物放在一大块展开的薄橡皮布上,放置处就会凹下去,而这块凹陷会影响到周围。同样的,黑洞所在之处会发生勐烈的空间扭曲,经过附近的天体会被极强的重力吸引,落入其中,连光也难逃魔掌。

银河系有许多黑洞,但具体数字不详。2019 年,一个跨国研究计划团队首次拍摄到黑洞的“影子”,掀起一阵讨论热潮。

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