什么是時空?
時空是什么?時空就是時間+空間,這就是基本定義,然而這樣的回答是片面的。如果用一句話來形容時空、理解時空就是“世界上最遠的距離是你我近在咫尺,卻處于不同的時空?!边@是愛因斯坦的時空觀,這是一個十分有趣的事情,源于《相對論》,一旦你理解了它,你會發現你就不是以前的你了,而且你再也回不去了。下面我通俗的來聊聊時空。
不同的時空觀如果不理解相對論,大部分人會認為全世界,全宇宙大家的時間觀都是一樣的,就是我的手表走過一個指針是一秒,你的手表也是,而且時間勻速向前流動,就像一支箭一去不復返??臻g也同樣如此,你按著尺子在地上量出一米是這么大,在我這里一米同樣這么大。如果你認同這點,那么說明你認同了牛頓與伽利略經典力學中的時空觀,絕對時空,大家的時間和空間都是一樣的,我們生活在同一個世界之中。
記住這點很重要:在經典物理學中,你可以單獨說地點,而沒必要說時間,因為時間與空間是獨立的緯度,時間大家都一樣,北京現在8點,上海必然也8點。你到達目的向家人報平安,可以說我到哪了,而不需要說現在幾點了(忽略時區)。
接下來我們說說能讓人瘋掉的愛因斯坦時空觀,我們先說觀點再簡單論證。愛因斯坦認為時間與空間是不可分割的,因為“時間是相對的”。這意味著不同的人,手表指針走的速度是相對的,比如你走得比較快,我走得比較慢,還有就是一件事在我看來剛發生,再你看來過了一段時間才發生,叫做同時性被打破。
你會發現,在愛因斯坦的時空觀中,我們并非“同一個世界的人”。我們拿坐標系來舉個例子:
用最簡單的一維空間(二維時空),我們通常一軸為時間,一軸為空間。在絕對時空中,我們大家可以共用一個坐標系,比如我在x軸3的位置,你在4的位置,咱倆相差1個單位的空間距離,y軸作為時間軸,我們的時間是同步的,單位是一樣的。
如果時間是相對的,那么由于時間流速不一樣,我的手表走得慢時間單位間隔就會比你的大,因為同時性被打破,如果在你坐標系黑點(1,1)的位置發生了事件A,那么在我的看來并非在(1,1)發生的。
在愛因斯坦的《相對論》中,空間也是相對的。如果我們按各自相對的時空畫坐標系就會出現單位間隔不同,兩個坐標系無法完美的重合在一起,也就是說我們需要各自的坐標系,不能往一起放,就像上面說的那句:我們并非同一個世界的人。當然這只是一個比喻,世界即為時空,我們所處的時空不同。
時空取決于兩個因素,一種是時空本身的幾何性質,比如我把時空畫成網格,有物質的地方網格機會發生幾何(黎曼幾何)形變,也就是惠勒說的:質量告訴時空如何扭曲,時空告訴物質如何運動,這就是廣義相對論中的引力,它不是力,只是時空的幾何性質,由于引力扭曲了時空,時空發生形變之后時間與空間的維度會發生變化,因此有了引力時間膨脹。諾蘭大神導演的硬核科學電影《星際穿越》中,父親乘坐飛船去往引力更強的星球與黑洞附近,經歷了幾個星期回來之后發現他的女兒已經垂垂老矣,因為父親的時間膨脹了。
另外一種就是速度時間膨脹,也稱作動鐘變慢。在一個很大的廣場上,我做在一輛未來汽車上高速的在廣場上運動著,而你靜止在廣場上。我在繞圈跑,經常與你透過車窗擦肩而過,然而我們并不在同一時空之中。在你看來車上的時鐘走得比你的手表要慢,如果車速可以無限接近光速,你會看到我車里的時鐘似乎不走字了。如果速度稍微慢點,你會發現當車里的時鐘好不容易走了一秒鐘,而你已白發蒼蒼,而對于車里的我來說,我僅僅只是過去1秒鐘,喘了一下氣而已。你看,即使我們很近,但是我們的時空卻不同。
為什么會這樣?這一切都源于“光速是絕對的”,光速的恒定打破了絕對時間觀。如果按牛頓認為時間是絕對的,時間需要一個參照物,只能找絕對的事物,可以說時間與光速是絕對靜止或絕對勻速的,換句話說我們可以把光速看做時間的一把尺子,這就像我說這里是一米,想要確定就需要拿一把尺子來量,那么尺子的大小又需要跟真正的一米去比對才能制造出來,而比量時間跨度的尺子就是光速,因為只有它倆是絕對的。
而絕對的事物有一個問題,就是無論是高速運行的人,還是靜止不動的人看來光速都是一致的。那在靜止的人看來高速運動的人時間就慢了。有點抽象,再舉一個例子:
你站在高鐵站上,高鐵從你身旁駛過,某一節車廂正中間有一盞燈,發出燈光。
因為光速是絕對的,車廂上的人會看到光同時到達兩邊。
在你看來,情況卻不一樣,由于高鐵在動,光速絕對,因此光會先到達車尾,這就是同時性被打破了。
最后牛頓所謂的絕對時間,我認為應該說是時間對于每個獨立的個體或物質來說是絕對的,我如果能活100歲,即使我跑到黑洞邊上,即使我速度再快,當我自己手上的手表走過100年,我就壽終正寢了。對于不同的物質、個體、甚至是一個靜質量不為零的粒子來說時間都是相對的,因為我們都有各自獨立的時空,即使是近在咫尺的一粒沙子,都不會與我處于相同的時空之中——一沙一世界。我們處于同一世界之中,但身邊就像有一個無形泡泡包裹著我們,這個泡泡就是我們每個人的時空。