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02 游览时空 Navigating Through Spacetime(第3页)

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因此,如果时空图上的点位取决于观测者的视角,即他们的参照系,那何必把它们画出来呢?

关注一个运动中粒子的世界线有助我们理解这一点;我们现在将画一个新的时空图,粒子带着它的光锥一起在时空中运动(这个技巧被称为使用共动参照系)。

要注意在图6中,粒子的路径即其世界线始终保持在光锥内部,因为它的运动不能比光速更快。

爱因斯坦的狭义相对论是他的广义相对论的一个子集,适用于一组有限的物理情境。

在时空不断扩张的前提下,我们需要一个超越狭义相对论的概念框架,一个突出的例子就是不断膨胀的宇宙。

在这种情况下,因果关系的表象即为:你无法运动得比你身边局部空间里的光速更快。

物体怎么知道要去哪里

虽然光子没有质量,但事实证明它们仍然受到引力的影响。

不过最好不要把这看成是某种力的作用,我们应该认为它是由时空的曲率导致的。

通常人们认为光子沿着直线行进,这让我们得到了“光线”

的概念。

然而在弯曲的时空中,光子的行进路径被称为测地线。

尽管测地线(其名称来自测地学,即测量我们的行星表面陆地的位置)的含义是基于地球的,但它也是描述整个宇宙中时空性质的重要概念。

如果空间没有弯曲[就是完全等同于我们可能在学校从欧几里得(Euclid)或他的继承者之一那里学到的日常几何学],那么测地线将是光线会走过的“直线路径”

但两点之间的最短距离,即光线“想要”

走的路线,术语是“零测地线”

在弯曲的空间中,两点之间的最短距离并不是我们所预想的直线,但“测地线是弯曲空间中的直线”

直线也可以被描述为,你保持在相同的方向上移动时的路径。

通过比较球面上的经线,可以看出曲面上的几何学有多么不同。

如图7所示,两条相邻的经线(在赤道处彼此平行)将在极点处相遇于一点。

然而在平直空间中,平行线只有在无穷远处才会相遇(依据欧几里得的最后一个公理)。

图6 沿其世界线运动的粒子的时空图。

该粒子总会被包含在其未来光锥的内部

图7 球体上的经线在赤道处是平行的,并且在极点处相遇于一点

打个比方,在存在质量的这种时空被弯曲的地方,不受任何外力影响而自由运动的光线或“测试粒子”

(物理学家使用的一种假想中的装置)在两个事件之间移动时,这种曲率实际上会在移动的路径上体现出来。

两个事件应该被视为四维时空中的两个点,每个事件以x、y、z、t的形式表示。

被称为度规的制度规定了我们如何用时钟和尺子测量空间和时间中事件的间隔,它还为解决几何学的问题提供了基础。

一个简单的例子是毕达哥拉斯定理,它告诉我们如何计算平面上两个点的距离。

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