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時間作為維度,究竟怪在哪裡?

時間作為維度,究竟怪在哪裡?

科學家通常將時空的維數寫作「3+1」而不是「4」。空間有三個維度。但空間和時空是兩個不同的概念,後者要複雜得多。由於加入了時間,我們描述一個事件時,除了原來的三個空間坐標外,還有時間坐標。不同時間發生在同一空間上的事件是不同的。

兩點沿著它們的連線相向運動,總會在某處相遇。兩點在同一時刻處在了相同的空間位置上。相對論稱這樣的事件為「共時事件」。這種事件只有當兩個不同物理對象的所有空間因素和時間因素重合時才會發生。

在空間中發生的運動同時也會在時間中運動;此刻在此處的你,無法同時存在於別處,而只能在之後前往別處。愛因斯坦的狹義相對論認為,真空中的光速是一种放之四海而皆準的速度極限,假如物體的運動速度接近光速,就會發生奇特的時間膨脹和長度收縮現象。但相對論的偉大之處還在於它作出了另一個重大發現:在數學上,時間和空間具有相同的表現。

假如我們在某一空間位置上保持完全靜止,那麼時間的流逝速度是最快的。我們在空間中穿行的速度越快,時間的流逝速度就越慢,而且我們和目的地之間的空間距離就越短。假如我們能夠做到質量為零,那麼我們就能以光速飛行,而且我們能夠在瞬間到達我們的目的地,時間在我們身上將不會流逝。

從物理學的角度來看,這些結論都是非常令人震驚的。因為這意味著無質量的粒子能夠做到完全而徹底的穩定,在它們身上,時間是不會流逝的。與此同時這也意味著一個有質量的、不穩定的粒子的飛行距離要大大小於實際距離。比如μ介子從它的誕生之所——大氣層頂端到達地面只需飛行660米。而一對雙胞胎一個留在地球另一個乘坐飛船以近光速進入太空,後者返回地球後也將比前者年輕得多,因為時間在他身上的流逝要慢得多。

時間作為一個維度,我們無時無刻不在其中穿行。相對論發展到今天,也包含了更為豐富的內容。空間本身可以存在曲度。但無論空間平坦還是彎曲,我們只要在空間中穿行,也必然在時間中穿行。

而無論是誰在時空中穿行,都要遵守相同的規律,產生相同的效應,得到相同的結果。沒有時間維度,不但相對論會失效,我們這個宇宙恐怕也會面目全非。

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