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海上讲坛|程维明: 时空是怎么穿越的?

日期:2017-10-26 来源:网友分享 作者:大科技能杂志社

【导读】看过电影《星际穿越》的人对时空穿越印象深刻,其实将时空作为独特的物理现象来研究已成必然,相对论则革新了人类对时空关系的认识。上海市政府参事、上海工程技术大学程维明教授,日前在上海图书馆讲述《空间与时间——物理学的思考》,告诉我们时空是如何穿越的。

我们经常认为时间可以穿越,人在空间走动,不仅可以做二维的平面走动,还可以乘电梯上下,在三维空间里面自由穿越,而且穿越空间的速度是可以分解的。比方说我们要到河对岸去,有一个船从A点我们对准了B点,但实际上你到达的是C点,为什么?因为水在流动,船速是v,水速是u,两个合成的速度使得我们到达了C点。

不仅我们可以穿越空间,也可以穿越时间。比如坐在这里不动,我们没有穿越空间,但在穿越时间,现在讲话的这一瞬间跟前一秒钟就不一样了,这是不以你的意志为转移的。如果说我们在空间运动,那么就是我们把穿越时间的运动一部分,分解到空间里去,那么此时,时间轴上的这个分量会变得小,即:由于运动时间会变慢。

狭义相对论讲光速不变

狭义相对论相识当时提出来说,任何一个物体穿越时间和穿越空间的合速度合起来的速度就是光速。“一寸光阴一寸金”是真的。

我们在空间里面快速的运动时,也在时间里面运动,我们就慢慢的,我们的光速里的运动一部分就分解到在空间中的运动,那么这个就是我们讲我们在穿越时间和空间。你坐着不动,也会变老,一秒、两秒不会变,十年,看你不老?我们穿越时间跟穿越空间,这实际上就是从狭义相对论里面导出来的一个结果。

光子它在空间是以光速在运动,那么光子的时间是平直的。光子从宇宙大爆炸开始产生以来,就没有变老过。其它的很多基本粒子都会衰减,光子不会衰减。不过目前的技术手段没有办法使得我们宏观的物体能够达到跟光速可以相对的速度,但是微观粒子缪子(音)的产生,一种是宇宙射线里面产生,另外一种是加速器里面可以,缪子(音)的静止状态下的寿命是百万分之二秒,那么在加速器里面把它加速到光速的99.5%的时候,就可以观察到它的寿命可以增加到十倍左右,这个就是狭义相对论的一个验证。

狭义相对论只适合惯性参考系,只适合于匀速直线运动或者静止的状态。它的基本出发点是两条:一个是光速不变原理,另外一个是物理定律不变。

牛顿:引力的传播不需要时间

牛顿的万有引力非常重要,他提出引力的超距作用。牛顿认为引力的传播不需要时间,这跟狭义相对论相矛盾(狭义相对论认为任何物体的传播速度都不能超过光速)。

想象一下,你睡着了,醒来时在电梯里,你看到电梯里的物体都漂浮起来,你怎么来判断所乘的电梯是在做自由落体呢?还是就漂浮在没有任何引力的宇宙空间里面?如果醒来时你稳稳地站在电梯的地板上,你感觉到跟平时站家里一样,这时,电梯停到哪里受到引力的作用呢?在密闭的电梯里你没有办法判断,你感觉到了一个力,你没办法知道这个力的产生是由于引力的产生,还是由于加速度的产生?

爱因斯坦:引力的本质就是加速度

爱因斯坦当时发现了加速度跟引力之间的关系,提出来一个等效原理,就是说无论用任何动力学的方法,你是不能分辨引力场和加速度所产生的效应。爱因斯坦认为引力的本质就是加速度。任何一个参考系就是惯性系与引力场的综合。惯性系是做匀速直线运动,当你做加速运动的时候就是一个引力场的作用,或者说一个加速度的作用。我们在地铁里面,地铁从车站开出来的时候,大家会感觉到有一个向后的力在拉你,拉手悬会向后斜,这个是由于地铁加速的作用。但是你也可以想象是在我们后面有一个巨大的引力场在吸引,两个效果是完全一样的,这就是等效原理。

在静止状态下圆的周长跟直径之比是π,或者说跟半径之比就是2π。那么如果有运动呢?想象有一个大转盘在快速旋转,显然它会产生一个加速度,这个加速度可以用来模拟引力,这时来测量环的周长和半径。怎么测?我们拿把尺就像过去布店里面量布一样,一把尺一把尺翻过去量,用尺沿着圆周测量,由于运动,尺的长度就会缩短,本来静止状态下10次可以量完的,现在可能要量11次,我们不知道尺在变,感觉周长变长了。再量半径,半径跟运动方向是垂直的,尺是不会缩短的,所以半径没有变化。周长变长半径没有变化,换句话说在运动状态下,周长与半径的比值就会大于2π,颠覆了小学里学的数学概念。这是怎么回事?爱因斯坦解释说只有在平面上,圆周长跟半径之比才是2π。我们讲的平面几何叫奥基里德几何学,包括三角形的内角和是180度,过直线外一点只能做一条平行的线。但是在球面上圆周长跟半径之比是小于2π的,在马鞍面上,圆周长跟半径之比是大于2π的,这个就是是黎曼几何。当时爱因斯坦为了搞清楚这个还专门向黎曼请教。结论是,在加速运动中,有加速的运动中,空间发生了弯曲,周长跟半径之比大于2π,不等于2π。

时空发生了弯曲

实际上不仅空间发生了弯曲,时间也同样发生了弯曲。就是说当你有加速运动的时候,会产生时空弯。

把空间想象成一个二维网,中间如果说是有一个大致质量的物体(人是一个小质量生命),地球的质量还不够大,如果有一个太阳的话,那巨大的引力使得周围的时空发生弯曲。为什么会围绕太阳做公转运动?地球实际上是在弯曲的路线里面绕着阻力最小的这条路线绕太阳在公转。为什么阻力最小的路线是这样的呢?就是太阳使得周围的时空发生了弯曲,也就是说我们感觉到受到引力的作用。在地球上也是一样,如果说我们要克服地球的引力,我们要跳出地球的话,我们必须有一个巨大的火箭来使得我们获得足够大的加速度来克服地球所产生的引力,所产生的时空弯曲,我们才能够跳出去。

光线的弯曲

在几何光学里面,光有几个传播定律,其中一个光的直线传播定律,但是光线在特殊情况下是会弯曲的。如果你在一部自由落体的电梯里面,所有的东西都会漂浮起来,眼前有一个小的玻璃球,轻轻弹它一下,玻璃球就会匀速直线向前运动。在电梯里面的人来看,它是匀速直线向前运动。在地面上看这部自由落体的电梯里面发生的情况,就不是这样,小球的匀速直线运动和电梯的自由落体的这两个速度的合成,使地面上的人看到小球实际上是一条抛物线的运动。我们把小球换成光线,打开手电筒,把光线想象成是一个个的光子,这个时候你在自由落体的电梯里面,你看到的光线当然是直线传播,而站在里地面上的人来看,你是在加速运动,这两个的合成,光线就像小球一样以一条抛物线运动,只不过光的传播速度非常快,你看到的这个抛物线是不太明显。我们加大地球的引力,想象不是站在地球上,而是站在引力是地球的引力十倍、一百倍、一千倍的星球上面,这个时候它的自由落体的速度就会快的多,就会以同样的倍数增加,它的加速度以同样的倍数增加,这个时候我们看到光线的弯曲就会变得比较明显。也就是说光线的弯曲是跟什么有关?是跟它的加速度有关,是跟引力的大小有关系,实际上还是时空弯曲,也就是光线在巨大引力的作用下,是会造成光线的弯曲。

光线弯曲的程度主要取决于引力场的强弱

敌对国花巨款验证爱因斯坦广义相对论

广义相对论也是预言了很多,光线在引力场中弯曲,引力波、黑洞等。其第一个验证就是水星的近日点进动。八大行星里离太阳最近的是水星,水星绕太阳的轨道是个椭圆,地球绕太阳轨道也是一个椭圆。水星的近日点离开太阳的距离大概只有地球离开太阳的距离的三分之一左右,换句话说,它受到的太阳的引力比地球所受到的向太阳的引力要强大的多。它的近日点不断的在移动,100年观察到的累计变化43.11秒,这个秒是角秒。从地球上看过去它是一个角度,很小的一个角度,这个角度100年才变化43.11角秒,没有办法解释,不知道什么原因。爱因斯坦认为正是由于太阳的巨大质量,使得它的时空弯曲,造成了水星在近日点位置的变化。另外一个预言就是星光实验,根据广义相对论光线在通过大质量的物体的时候会发生弯曲。一颗恒星的光如果说紧贴着太阳,到达地球的时候会发生偏转,偏转角度更加小,实际上只有在日全食时才能观察到。

1919年,英国一个科学家要说服英国科学界组织一个耗资非常大的行动,去验证敌对国科学家爱因斯坦的成果,在5月、11月两次观察出来的结果是一个是1.98秒和1.61秒。爱因斯坦预言是1.7秒,当时就认为这个是对于相对论最有利的一个支持,因为他确实看到了星空的弯曲。后来在1973年又做了一次,最后得到的结果是1.66秒,跟爱因斯坦的预言1.7秒吻合,完美地验证了广义相对论。

引力波去年被观察到

引力波是1915年被提出,100年了,星光实验没过几年它就被验证了。

引力波打开门

但是引力波预言始终观察不到,因为引力波发生的事件离地球非常遥远,地球上非常微弱,要观察到非常困难。去年2月16日,美国国家基金会宣布说人类首次探测到了引力波,正好离开爱因斯坦预言100年。实际上这个引力波观察到是2015年的9月,观察到有两个黑洞合并以后损失了一部分的能量,这一部分的能量就是引力波向外传播。当时非常谨慎,很多中国科学家参与到这个项目里,最后确定不是引力播波事件的可能性小于百万分之一才对外宣布,人类探测到了引力波。

黑洞吸走了时光

黑洞也是爱因斯坦理论的预言。引力非常巨大,当时空弯曲到一定程度,连光都不能从区域里面逃脱出来,就是黑洞。计算出来如果把地球变成黑洞的话,地球的黑洞半径是9个毫米,就是说我们如果把地球压缩到比一个乒乓球还要小,地球就变成一个黑洞了。当然我们很难想象它里面的密度会大到什么样的程度,现在我们知道在我们可观察的大部分星系的中心,包括银河系,银河系中心也有一个质量非常巨大的的黑洞。

《星际穿越》

美国电影《星际穿越》里三个宇航员飞船到了一个黑洞附近,他们要下到一个行星上,两个宇航员要下去,一个留守在飞船上。下到行星上面去了以后,那个行星上面都是水,他们下去了十几个小时,然后返回到飞船上,那个飞船上留守的人说:“你们怎么去了么久,我已经等了25年。”这个情节就是说由于飞船到了行星表面引力非常大,它是在黑洞费附近,引力场的作用使得他们下到那个行星上的两个宇航员的时间变的非常慢,他们感觉只过了十几个小时,而留在飞船上的宇航员已经过了25年,这跟我们的思维实验例子是差不多的。

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