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给你一台时光机,你以为就能篡改历史? 精选

已有 2523 次阅读 2019-5-20 21:32 |系统分类:科普集锦

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  SME按:谁都做过时空穿梭的梦,回到过去修复遗憾,甚至买张彩票圆个发财梦。但这篇文章要打破你的梦并告诉你,即使你回到过去也不能改变历史。乍一听似乎有点反常识,但细心品读,看作者如何用扎实、深刻的理论和有趣的语言,一步步把道理说明白。

  穿越一直是小说,电影的热门题材。比如在影片《蝴蝶效应》中,主人公伊万,一次次的跨越时空的更改,只能越来越招致现实世界的不可救药。一切就像蝴蝶效应般,牵一发而动全身。

  近期热映的“复联4”中,超级英雄们也是回到过去,集齐宝石,挽回了失去的战友和亲人。但我发现“复联4”中的一个小BUG,就是超级英雄回到过去,拿走了过去的宝石,往后的历史不就应该改写了吗?灭霸应该只存在于这些超级英雄的记忆中,灭霸并没有来过地球呀。

  “复联4”的故事设定并没有错,是你的时空观有问题,“复联4”符合狭义相对论。

  

  什么是四维时空?

  想理解狭义相对论,我们需要先了解一个概念——四维时空。

  空间中有三个维度,时间也是个维度。把三维空间拓展到四维,这并不是爱因斯坦(Einstein.A,1879-1955)首先提出的,而是他的大学老师——德国数学家闵可夫斯基(Minkowski.H.1864-1909)提出,应该把时间也作为空间的一个维度与另外三个维度整合起来。

  

  闵可夫斯基

  在看到爱因斯坦的相对论之前,他就有了时间维度的初步想法,等看到爱因斯坦的相对论之后,闵可夫斯基恍然大悟。他很快就在相对论的基础上,建立了时空的数学模型,爱因斯坦也对此佩服不已。

  在二维平面的纸上,想表达一个三维的物体本来就很困难了,比如画一个正方体,你要学会透视法.....现在闵可夫斯基居然可以在一个二维平面表达一个四维空间的运动,这需要勇气和智慧。

  在二维平面上,只能用透视法画出一个三维的物体形象,这是没有办法改变的。闵可夫斯基就用牺牲一个空间的维度的方法,来体现时间这个维度。我们把三维空间先压缩成一个二维空间,这样我们就能在纸上把空间和时间尽可能的画在一起了。

  闵可夫斯基画出了这样一张基本时空图:

  

  可能有些同学感觉很失望,就这?你感觉这是随便一本中学课本就能看到的图,但真正的精彩都是从平淡开始。

  这张图x,y轴表示空间坐标,空间坐标轴向两端延伸,表示空间可以朝正反两个相反的方向运动。竖着这根线表示时间坐标轴(ict),为了让坐标单位系统一,这根坐标轴的单位就是光速c乘以时间t,这样得到的就是跟空间坐标单位一样的距离概念。那前面的i是啥意思?i表示虚数,以区别于空间维度,表达时间维度只能朝一个方向运动。

  接下来,我们就可以观察一个物体在四维空间中的运动轨迹了。

  如果你站在地面上不动,以地面为时空坐标原点,你的运动轨迹是怎样的?

  

  你在时空中的运动轨迹是一根和时间轴平行的直线,因为你在空间中没有相对运动,图中画的是你在时间中的运动。闵可夫斯基把物体在时空中运动的轨迹称为“世界线”,这根线上的每个点称为“时间点”。

  接下来,如果我仍然以地面为时空坐标原点,一列在地面上行驶的高铁,他在时空中的世界线是什么样子的呢?

  

  可能你的脑子里已经有答案了,没错,高铁的世界线是一条斜线,因为它在时间维运动的同时,空间维也在运动,所以空间轨迹就是一道斜线。

  我们继续,这次题目加大难度,这次以太阳为参照系,地球和太阳的世界线分别是什么呢?

  

  地球绕着太阳转,而太阳相对于地球就是静止,地球的世界线画出来就是绕着太阳的世界线呈螺旋上升。

  如果这道题还难不倒你,我们看下一个,我以湖面为参照系,向湖中扔一个石子,湖水产生波动。这个波动的世界线是什么样子的呢?

  

  湖中波动的世界线不再是一根“线”,因为波动无法看成是一个“点”了,它的世界线其实是一个倒圆锥,随着时间的增大,圆锥的体积也在增加。

  下面真正的挑战要来了,以太阳为参照系,太阳光的世界线是什么样的呢?

  

  太阳还不同于水的波动,太阳是一个球体,它会向空间的四面八方发光。这个光球不同于火车、波动,它在空间的三个维度都有运动,因此忽略其中一个空间维度,会发现在二维平面上阳光的世界线和波动的世界线是一样的。

  闵可夫斯基把它称为“光锥”。任何一个事件都可以当作是时空坐标的原点,不管这个事件会不会发光,我们都可以假想这个事情是会发光的,那我们就可以画出这个事件的光锥图。

  光锥之内才是命运

  根据狭义相对论,任何有质量的物体的运动速度都不会超过光速,所以光速也是传播信息最快的速度,凡处于这个光锥之外的东西均不受影响。

  举个例子,如果此时太阳突然没有了,我们多长时间才能知道这个事件?

  

  答案是8分钟,因为太阳到地球的光需要走八分钟,这前八分钟太阳熄灭事件仍处于光锥之外,所以这个事件不会对我们造成任何影响。

  

  只有当8分钟之后,事件光锥覆盖到了地球所在的位置时,该事件才对我们产生影响。

  

  我们以图中A点表示事件A,用事件A表示时空原点。从A向上就是这个事件未来的时间;A点向下,就是过去。C和D都是A的未来,B是A的过去。

  光锥之内才是命运就是说,事件C是在光锥之内,所以A就是可以影响事件C的。但无法影响事件D。比如说,复联4的超级英雄们回到过去是事件A,而他们本身的世界就是事件D。事件D在光锥之外,它们和A之间无法通过光速建立联系。

  所谓,光锥就是在每个时间点上,看看光最远能走多远,把这个范围画出来,形成上下两个光锥,光锥代表事件A的影响力。

  一个事件的光锥,界定了它的界限。

  事件发生的顺序是相对的,但事件的因果关系是绝对的,你不必担心被穿越者篡改历史,而这是来自于光速是信息传递最快的速度这个事实。

  *参考文献

  冯晓华 张 耀高 策 .闵可夫斯基时空的命运[J]《自然科学史研究》 第36 卷 第1 期 ( 2017 年) : 98—111 .

  向义和.浅谈广义相对论的创立之四-闵可夫斯基四维时空的提出与应用[J]《大学物理》第34卷第10期2015年10月.

  汪洁.时间的形状[M].北京时代华文书局,2017年1月.

  



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