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      什么是時空?基本問題仍需完善和發展

      發布時間:2019-12-26 10:05:40   
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      文章摘要:什么是時空?基本問題仍需完善和發展,時空,完善,發展,新聞資訊,科技資訊

      誰發現了時空?

      著名的物理學家阿爾伯特·愛因斯坦在他的相對論中拓展了時空的概念。在他的開創性工作之前,科學家用兩種不同的理論來解釋物理現象,分別是牛頓的物理定律和詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的電磁模型,前者描述了大質量物體的運動,后者則解釋了光的屬性。

      然而,在19世紀末進行的實驗表明,光有其特殊之處。測量結果顯示,無論發生什么情況,光總是以同樣的速度傳播。1898年,法國物理學家和數學家亨利·龐加萊(Henri Poincare)推測,光速可能是一個無法超越的極限。大約在同一時間,其他研究人員也在思考物體的大小和質量隨速度變化的可能性。

      愛因斯坦在1905年提出了狹義相對論,將所有這些觀點綜合在一起。狹義相對論假設光速是一個常數,要做到這一點,空間和時間必須結合成一個單一的框架,保證所有觀察者看到的光速是相同的。

      一個乘坐超高速火箭的人,與一個以慢得多的速度旅行的人相比,其觀察到的時間流動將更慢,物體的長度更短。這是因為空間和時間是相對的,都取決于觀察者的速度。因此,光速是比這兩者更基本的概念。

      時空是單一結構的結論不是愛因斯坦自己得出的。這個想法來自德國數學家赫爾曼·閔可夫斯基(Hermann Minkowski),他在1908年的一次學術會議上說:“從今以后,單是空間或是時間,都注定要隱沒入陰影之中,只有二者的結合才能維系一個獨立的現實?!?

      他所描述的時空仍然被稱為閔可夫斯基時空,是相對論和量子場論的計算背景。天體物理學家和科學作家伊?!の鞲駹枺‥than Siegel)表示,在量子場論中,亞原子粒子的動力學被描述為場。

      時空是如何運作的?

      如今,當人們談論時空時,他們通常把它描述成像一張橡皮膜。這也來自于愛因斯坦,他在發展廣義相對論的過程中認識到,引力的產生是由于時空結構中的彎曲。

      巨大的物體——如地球、太陽等——都會在時空中造成扭曲。這些彎曲反過來又限制了宇宙中所有物體運動的方式,因為物體必須沿著彎曲的曲率運動。引力引起的運動實際上是沿著彎曲的時空在運動。

      2011年,美國國家航空航天局(NASA)的引力探測器B(Gravity Probe B,簡稱GP-B)任務測量了地球周圍時空漩渦的形狀,發現其與愛因斯坦的預測非常吻合。但對大多數人來說,時空結構的彎曲仍然難以理解。雖然我們可以把時空比作一張橡皮膜,但這種類比最終還是站不住腳。橡皮膜是二維的,而時空是四維的。這張膜不僅要代表空間上的扭曲,也要代表時間上的扭曲。對物理學家來說,用來解釋這一切的復雜方程組也很棘手。

      “愛因斯坦制造了一臺漂亮的機器,但他沒有給我們留下用戶手冊,”天體物理學家保羅·薩特(Paul Sutter)寫道,“為了讓大家能夠理解,廣義相對論已經變得十分復雜,以至于當有人發現方程的解時,他們就會以自己名字為其命名,并憑借自己的能力成為半傳奇人物?!?

      科學家還不知道的

      盡管相對論十分復雜,但它仍然是解釋我們已知物理現象的最佳理論。不過,科學家也知道目前的模型仍是不完整的,因為相對論仍然沒有完全與量子力學相統一。量子力學非常精確地解釋了亞原子粒子的屬性,但并沒有包含萬有引力。

      量子力學基于這樣一個事實:組成宇宙的微小粒子是離散的,或者說量子化的。因此光子(組成光的粒子)就像小塊的光,以不同的方式出現。

      一些理論物理學家推測,或許時空本身也以這些量子化的塊體形式存在,這將有助于架起相對論和量子力學之間的橋梁。歐洲空間局(ESA)的研究人員提議成立“用于時空量子探索的伽馬射線天文學國際實驗室”(Gamma-ray Astronomy International Laboratory for Quantum Exploration of Space-Time,簡稱GrailQuest),這項任務將繞著地球飛行,對遙遠宇宙的伽馬射線暴進行超精確測量,從而進一步揭示時空的性質。

      這樣的任務至少要15年以后才會發射,但如果發射成功,它很可能將幫助科學家解決物理學中最大的謎團。

      標簽: 時空 完善 發展
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