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什么是时空连续体?连续统一意味着什么?一个坐标系为你解惑

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什么是时空连续体?

不久前,一位听众的来信中提到这个问题:“您能简单描述一下时空连续体吗?”

这可是个大问题,不过我会尽己所能。你可能知道,我们所处的是一个三维空间。三维空间意味着你可以往三种不同的方位移动。你可以把它们看作左右,上下,前后。

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科学家通常用字母来表示这些方位:x,y和z。所以如果你向右移动四步,你就会沿着x方向或者科学家们所称的“x轴”移动四步;如果你向左移动四步,你就会沿着x轴的负方向(或者对面)移动四步。

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当然你也可以沿着对角线移动,但这其实就是三种移动方式中的两种或者两种以上的组合。所以如果你向前一步然后往右,你就是同时在往x轴和z轴移动。

站在你生活的地方

想象你家客厅的中间位置就是宇宙的中心,所以我们可以把这个点的坐标设为x=0,y=0,z=0,这个位置叫做原点。

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图解 :在绿色参考系中事件B与事件A同时发生,但在蓝色参考系中事件B较早发生,在红色参考系中事件B则较晚发生。

要知道如果你从原点向北或向南移动,那就是沿着x轴移动;如果你向上或向下移动,那就是沿着y轴移动;如果你向东或向西移动,就是沿着z轴移动。

我们可以像这样用坐标或者方位把你现在的位置写出来:(0,0,0)。

如果你向右移动1米,那么你的新位置就是x=1,y=0,z=0或者(1,0,0)。接着如果你向上跃1米,那么你的新位置(保持悬空)就是x=1,y=1,z=0或者(1,1,0)。

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图解:火车上移动观测者的时空图。

现在要重点关注的是我们给出任意的x=1意味着此处离客厅中心(或称原点)有1米的距离。我们也可以说x=1意味着1英寸,1英尺甚至1米,只要我们测量单位相同,这都没关系。所设的x、y、z的方向也不重要,只要使它们在讨论中保持不变就可。我们本来可以简单地说z才意味着左和右而不是x。

在时空的概念上增加一个维度:第四维度。

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第四维度

我们不仅是在空间的三个维度上移动,还在时间中移动。在阅读本文时,你已经沿着时间维度移动了几秒钟。不幸的是,四维形状在视觉上更加抽象,这就是我们花费许多时间讨论坐标的原因。数学使讨论更高维度的空间变得更加简易。

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图解:从三维投影看,一个在四维空间中绕一个平面旋转的四维超正方体。

如果我们将0设为你开始站在客厅中心的时间(秒),则你在四维空间中的坐标为:x = 0,y = 0,z = 0,t = 0,我们可以写成(0,0,0,0)。请注意,四维表示我们在坐标系中有4个值。

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图解:从一维到五维物体的演示。

5秒后,我们在时空中的坐标将是(0,0,0,5)。如果在那5秒钟内我们碰巧向后退了一步(沿z轴向后),那么我们的坐标将是(0,0,-1,5)。现在重要的是要记住,我们在几秒钟内测量的时间维度,依然完全是任意的,我们可以使用分钟,小时,毫秒,年或其他任何单位。

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图解:在太空船参考系的观点中,船上的时间与当地的时间看起来是不同步的。

现在重要的是通过所有这些任意选择的方向和测量单位,给出一个参考框架,或者能对照我们的坐标的物体。因此,如果我们想给某人一个四维坐标来描述我们在时空中的绝对位置,我们会这么说:

“当我的实验开始时,我正在相对于客厅中心的坐标(0,0,-1,5)处。”

我们还需要告诉他们x,y和z的方向,以及每个维度的测量单位:

“如果x是我客厅中心以北的距离,y是我客厅中心以上的距离,z是我客厅中心以东的距离,t是自从我开始站在客厅中心以来的秒数,我的坐标(x,y,z,t)是:(0,0,-1,5)。

幸运的是,所有这些信息你只需要告诉他们一次,因为之后的所有坐标将使用相同的信息。

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既然你知道什么是时空了,那就让我们谈谈时空连续体。连续统一意味着持续存在。因此,如果你考虑从客厅的中心上下移动,你可以持续永久地向上移动,也可以持续永久地向下移动。 (假设你可以分别飞过并穿过地球中心)。当你在时空中移动时,你正在穿越时空连续体。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. Lee Falin- quickanddirtytips-两等

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翻译:天文志愿文章组-两等

审核:天文志愿文章组-

排版:零度星系

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3.原文来自:https://www.quickanddirtytips.com/education/science/what-is-the-space-time-continuum?page=1

本文由天文志愿文章组-两等翻译自Lee Falin的作品,如有相关内容侵权,请于三十日以内联系运营者删除。

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