牛顿、爱因斯坦以及量子力学中的时空

原创 小斯  2018-06-07 20:54  阅读 110 次 评论 0 条

如果把宇宙中的一切物体移走,那宇宙还剩下什么?什么都没有?不,还有空间!空间也是一种实际存在的事物。

空间看不见摸不着,却是真实存在着,而且广泛存在着。即便是组成物质的原子,它的绝大部分也是由虚无的空间构成。

人类对于时空的认知,从牛顿到爱因斯坦,再到量子力学的微观世界,时空观经历了几个重要阶段。

牛顿的时间和空间观

牛顿眼中的空间和时间都是绝对的、永恒不变的。在牛顿眼里,任何运动都是相对绝对空间而言的,比如旋转的舞者就是相对绝对空间在进行旋转。

牛顿、爱因斯坦以及量子力学中的时空 趣味·科普 第1张

虽然牛顿本人对时间和空间并给出严格定义,但是牛顿的方程式威力实在太大,用牛顿方程计算得出的结果和现实中的结果准确相符。所以,人们也自然而言沿用了牛顿的时空观。牛顿的时空观统治了物理界长达200多年,直到爱因斯坦的出现才被打破。

爱因斯坦的时空观

在爱因斯坦的狭义相对论中,时间和空间不再是绝对的和分离的,而是一个相对变化的统一体,即时空。

狭义相对论的核心之一就是光速不变原理。任何情况下,光速永远保持在30万千米/小时(67100万英里/小时),不会发生变化。

牛顿、爱因斯坦以及量子力学中的时空 趣味·科普 第2张

不论你追着光源跑,还是对着光源跑,光速永远保持不变。而为了保证光速恒定,时间和空间不再是绝对的,而是相互协调的统一体。

日常生活中,我们之所以看不到时间和空间的变化,只是因为我们生活在一个低速运动的世界里,如果我们的运动速度能够接近光速,时间和空间都会发生变化。

牛顿、爱因斯坦以及量子力学中的时空 趣味·科普 第3张

例如,A站在路口,B在车中以接近光速的速度经过A身边,A会发现B的车变得很短,而且B的手表走的比自己的慢。

量子力学中的时空

在量子力学的世界里,虚无的时空并不是真正的空无一物,而是充斥着各种运动,微观粒子不停的产生和消亡。

1948年,卡西米尔提议,用两个金属薄片来进行实验,结果真空状态下的两个薄片紧密地粘在了一起。这证明原子角度下,空间并不是真正的空无一物,而是充斥着运动,所以才能使物体发生移动。

 

牛顿、爱因斯坦以及量子力学中的时空 趣味·科普 第4张

从牛顿到爱因斯坦,再到量子力学中的时空,时空观在不断发生变化。而后来的希格斯场和暗物质等新研究发现也在进一步刷新时空观。时空,这个最熟悉的陌生人,或许我们还需要很久才能彻底认识清楚。

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