科普驿站 第十二期
主题：时空观浅析
科目：物理/宇宙
难度：B1
时间：2019.7.14
讲师：木头人
我们都知道，人类生活在地球上，地球在太阳系乃至宇宙中运动着，我们真真切切地生活在时空中。
“时空”是日常生活中不常提及的话题，也许只有在观看科幻影片时你才会与小伙伴讨论到这个话题。所以这次，我将带你走进这变幻莫测的时空（时间与空间）中，去探寻速度和大质量物体是如何影响我们时空的，并揭示隐藏在其中的奥秘。
我们不断探索、研究宇宙问题，难免深陷其中。人类受控于宇宙的法则：“时间”记录着我们、甚至包括宇宙中存在的所有物质的年龄。在地球上，人类有着独特的记时体系：年月日，时分秒。
虽然人类有着自成一体的记时体系，但是宇宙却不会遵从人类所定义的时间观念。你有没有想过我们习以为常的记时方式是否不妥呢？这就是我们即将要讨论的问题。
时间
一般情况下，正常人可以活到七八十岁。然而一些物质可以“活”更长的时间，比如太阳现在的年龄为45.7亿岁，距离它走向“死亡”大约还有50-60亿年。这表明所有物质在时间上都有对应的一个尺度。
艾萨克·牛顿（1643.1.4—1727.3.31）曾对时空观提出了自己的见解：他认为时间是绝对的，与任何特殊的参考系无关，也不依赖和影响物质的运动。就好比静止安放在不同惯性参考系中的时钟，对同一运动过程的计时结果是相同的一样。根据上述概念可以发现，绝对时间是不可测量且感受不到的。牛顿认为绝对时间只能由数学的形式表达，而人类也只能透过物体移动来观察时间的消逝。
亚里士多德和牛顿都相信绝对时间，也就是说他们相信人们可以毫不含糊地测量两个事件之间的时间间隔：只要调好时钟，两个事件的时间间隔都是相等的，时间相对于空间是完全分离且独立的。这是我们习以为常的感受，然而我们必须改变，因为这种观念在处理光速或者接近光速运动的物体时根本无效。
其实在我们自身及周围的时间都在发生着细微的变化，只是这个变化太过于细微，以至于我们无法看到或者感觉到。不过随着科技的进步，我们现在已经可以用精密的仪器测量时间流逝的变化。
【欧洲核子研究中心（CERN）的大型粒子对撞机（LHC）】
双生子效应
按照狭义相对论的说法：在不同的惯性系中，时间表现出了相对性。也就是说，高速运动的惯性系相对于低速运动的惯性系，前者的时间要过的慢一些。
假设，在某一时空点有两个完全相同的时钟，其中一个时钟沿着某个闭合路径运动并回到原点，另一个静止，请问哪个时钟慢了？
爱因斯坦在1905年于《论动体的电动力学》中讨论过关于运动刚体和运动时钟的所得方程的物理意义。他认为：在某点处有两个完全相同的时钟，其中一个时钟沿着某个闭合路径运动一圈（经过t秒）后回到出发点，这只运动了的时钟相对于另一只至始至终都没有离开原地的时钟慢了1/2t（u/c）^2秒。
由此爱因斯坦得出结论：运动的时钟在沿闭合路径运动再返回出发点之后，对比相对静止在出发点的时钟要慢，两者是有差异的。
运动的时钟变慢了！
根据相对性原理，惯性系应该是平权等价的，并且运动是相对的。因此，这种时间膨胀效应也应该是相对的。
我们可以假设存在A、B两个惯性系，两个惯性系里各有一个时钟。从A惯性系的观察者的视角来看，B惯性系的时钟相对于A惯性系运动，所以B惯性系的时间相对于观察者所处的A惯性系的时间在变慢。然而，在B惯性系的观察者看来，A惯性系的时钟相对于B惯性系是运动的(运动是相对的)，所以A惯性系的时间相对于B惯性系的时间在变慢(相对性原理)。
这样似乎并没有什么错。两个时钟均可以认为自己静止，而对方是运动的，从而在表观上彼此矛盾地认为是对方参考系的时钟变慢了。
所以，到底哪个时钟变慢了呢？
这个问题就是最早的时空详谬，同时也是双生子详谬的前身。
1911年，法国物理学家朗之万在《空间和时间的演讲》 (The Evolution of Space and Time)中提出：解释时钟佯谬的要点是要注意到运动的时钟经历了加速运动的过程，而静止的时钟则没有。同时朗之万还把这个例子中的两个运动的钟换成了人，后来演变成了今天众所周知的版本——双生子佯谬。
假设地球上有一对同时出生的双胞胎，且距离地球50光年外的一个地方存在一个相对地球静止的星球W。双胞胎中的哥哥驾驶着飞船以0.995c的速度从地球飞向星球W，然后再以同样的速度返回地球。弟弟一直在地球上等待哥哥。请问哥哥旅行完成后双胞胎中谁的年龄更大？
飞船速度为0.995c，此时钟慢系数为0.1。也就是说，地球上过去十年的同时飞船上的时间才过去了一年。以飞船为参考系，也就是从哥哥的角度出发，他眼里留在地球的弟弟年龄没有变，但是在星球W的时间却一下子增加了将近50年。
悖论：当哥哥的飞船以接近光速的速度运动，哥哥返回到地球时应该比留在地球的弟弟更年轻才对。但是以哥哥视角，地球相对于飞船也是接近光速运动着的，那么地球上的弟弟应该比哥哥更年轻才对。
前文说过，朗之万认为运动的时钟经历了加速运动过程，而静止时钟则没有。
德国物理学家马克斯·冯·劳厄在1912年发表的一篇题为《两种反相对论意见及对它们的反驳》的文章中提出：解释时钟佯谬的要点是注意到运动的时钟在从远离转为返回的过程中更换了参照系，而静止时钟没有更换参照系。
在广义相对论发表以后，这个问题又受到了爱因斯坦的关注。他利用等效原理认为：运动时钟受到了与加速场等效的引力场的影响， 而静止时钟则没有受到那样的影响。由于这些内容是广义相对论里的，所以解释这个悖论就必须需要广义相对论的帮助，或者考虑加速。而若要考虑加速就得存在加速度，从而涉及到非惯性系。
人们普遍认为狭义相对论只能解决惯性系问题，而非惯性系问题则需要广义相对论来解决。然而随着上世纪前中期人们对于相对论的研究，人们在一些概念上达成一致，逐渐修正了以前的一些错误观点。
现在人们认为，狭义相对论不仅能够处理惯系性的物理现象，还可以处理非惯性系中的物理现象。这里采用的方法就是由闵可夫斯基发展而来的四维几何语言。狭义相对论和广义相对论并不以惯性系和非惯性系作为划分标准，而是用曲率来划分，更准确的说法是以时空背景划分。如果以平坦时空或闵可夫斯基时空作为时空背景，那么就是狭义相对论的范围；而如果涉及到弯曲时空，那么就是广义相对论的范围。
因此，狭义相对论可以用来解决双生子悖论，使用的是由闵可夫斯基发展而来的四维几何语言。所以双生子悖论不再是一个悖论，而是成为了一个效应。它所带来的时间差异是真正的时间差异，关于这一点，爱因斯坦当年给出的结论是正确的，但是解释有可能是错误的。
双生子效应在现实中主要有两方面表现：
第一个是使用位于欧洲核子研究中心（CERN）的大型粒子对撞机（LHC）来证实这一理论。
在地下的环形管道中，长达25公里的管道中，数万亿的微粒子正流动着。当电源接通时，这些粒子可以在0-1秒的时间内加速到每小时10万公里。随着电流强度增强，这些微粒子的速度会越来越快，直到接近光速。当接近光速时，奇妙的事情发生了：微粒子正在进行时间旅行。被命名为“铍介子”的微粒通常在不到250亿分之一秒的时间内就湮灭了，但当他们接近光速时，寿命可长达原先的30倍。不过这里要考虑到双生子效应的观察者的选择。
第二个是导航卫星的修正。
靠近大质量物体对时间造成的影响
经研究表明：在距离我们两万六千光年的银河系的中心存在着整个银河系最重的物质——有着400万倍太阳质量的黑洞。越靠近黑洞引力越大，以至于在距离黑洞很近的地方连光都无法逃脱它的引力。黑洞对时间影响巨大，这里的时间比在银河系的任何地方都过得缓慢。
设想一下：有一天你乘坐宇宙飞船近距离参观这个黑洞，接着你在飞船上休息、看风景，你休息时所用的时间是你在地球上休息所用时间的一半。换而言之，当你参观完毕回到地球时，你回到的地球是未来的地球。友情提示：为了避免被黑洞巨大的引力吸入，飞船必须位于黑洞的事件视界(黑洞最外层的边界）之外，否则将无法逃脱。
爱因斯坦解释了引力和时空弯曲是如何联系起来的。利用数学模型，爱因斯坦指出：物体能够使周围时间和空间弯曲。在物体具有很大的相对质量时，这种弯曲可以影响到任何从它旁边经过的物质，即使是光也会改变路径。时空曲率表现为引力，不仅如此，时间也会受到影响。爱因斯坦在1905年发表的狭义相对论中揭示了时间膨胀效应，也就是我们的时间慢了。
约翰·惠勒曾经说过：“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。”
【黑洞电影概念图，周围发光的物质是吸积盘】
空间
如何定义和理解空间呢？首先，我们需要用物理学上的语言来定义时空。
时空，目前主流的定义是四维流形上附带洛伦兹型度规(也就是一个4×4矩阵，对角化之后主对角线的元素一正三负或者三正一负，这用来区分时间和空间)。
一般情况下，时间和空间如果不分开来说，它们被认为是一个整体。不过，两者又不能完全当作一个整体来看，因为在处理某些问题时我们需要进行3+1维分解，把那一维时间当作动力学演化的参数。我们需要选定合适的时间轴，同时还要满足一些条件。
其次，所谓的“空间”并没有听上去的那么复杂。一切物体，包括正在看这篇文章的你，都存在于一个叫“三维空间”的世界里。三维空间里的一切物体都有宽度、高度和长度三个属性，而在这个基础上加上时间就是“四维时空”。
举个例子，一辆有轨电车以每小时30公里的速度向东运动，而你在电车上手拿一个网球反复弹跳。此时，电车外站着一位观测者，对于在电车上的你而言，网球在反复弹跳过程中总是回到同一空间。而相对于电车外的观测者而言，他所看到的网球并未回到原来的空间。所以对于不同的观测者来说，空间的变化是不同的。
综上所述。地球围绕太阳运动，而整个太阳系围绕银河系中心运动，又因为银河系本身也在不断移动着——我们从未回到过之前的空间。
【银河系示意图】
牛顿时空观认为空间是平直、各向同性的和各点同性的三维空间，而时间是独立于空间的单独的一维（因而也是绝对的）。然而现在我们知道，时间与空间是密不可分的。如果你对这个结论感到怀疑的话，那我们做个思想实验：设想一下是否存在什么地方或是什么物质，它是有空间而无时间或有时间而无空间的？所以现在我们可以得出时间和空间是密不可分的。著名物理学家阿尔伯特·爱因斯坦发表的相对论，认为时间和空间并不是相互独立的，而是一个统一的4维时空整体。绝对的空间和时间并不存在，由此得出了我们3+1维的时空，但是我们的时空是绝对的。
【大质量物体造成的时空弯曲】
3+1维的时空
时间与三维的空间是相互纠缠的，四维的时空会受到大质量物体的影响从而造成弯曲，爱因斯坦理论很好地揭示了万有引力的终极奥秘，然而当时很多科学家对此感到质疑。后来，在1919年5月29日爱丁顿和戴森的观察队在当天的日全食现象中观测并证实了爱因斯坦所预言的现象：太阳后方的恒星发出的光在经过太阳时会发生弯曲，导致这颗恒星的成像发生位移。于是，爱因斯坦相对论中的第一个理论被成功证实，之后又有多个理论被成功证实。而且就在最近，引力波被成功探测到的消息完成了爱因斯坦相对论中最后一块拼图。2016年，LIGO科学组织和Virgo团队利用高级探测器首次探测到了双黑洞合并时产生的引力波信号，就此证实了爱因斯坦的引力波预言的正确性。
在今后的几十年里，对时间和空间的新理解将会导致宇宙观的变革，使旧宇宙观被新宇宙观所取代。前者认为宇宙基本是不变的，它可能存在了无限长的时间，并将永远的存在下去。而后者则认为宇宙在一直在运动、膨胀着。它似乎开始于过去的某一个时间，并也许在将来的某一个时间终结。
大多数人都有过穿越时空的想法，但这并不是一件不可能的事情。也许在不远的未来，甚至是在我们有生之年，就可以去探寻离我们最近的人马座a大质量黑洞（不考虑接近光速飞行或双生子效应）。当你回到地球时，你也许就跟你的儿孙们同龄了。
参考文献：
《爱因斯坦文集第二卷》P96-97，商务印书馆出版，赵中立等译
《微分几何入门与广义相对论上册》P149-150，作者：梁灿彬
《时钟详谬》，作者：卢昌海
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