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物理科普：四维时空：时间与空间的不变性，以及光速不变原理

来源：今日头条

作者：scottcgi

发布时间：2020-02-15

浏览次数：2249

物理科普：四维时空：时间与空间的不变性，以及光速不变原理

本文，将会追随相对论的视角，首先来解读爱因斯坦眼中的四维时空——其中时间与空间会有怎样的特性。
然后，会介绍光速不变原理的形成过程——它是相对论的基础假设，也是钟慢尺缩效应的底层逻辑。
最后，还会从三个不同的角度层面，来论述理解——光速为何不变。
主题目录如下：

四维时空
光速不变原理
从不同角度看光速不变

四维时空

在狭义相对论中，宇宙模型是一个四维时空，即：三维空间加上一个一维时间。在此我们可看到，空间有三个自由度，而时间只有一个自由度。
而爱因斯坦思维的飞跃性就在于：他认为在四维时空里，宇宙的一切事物都以一个固定的速度在运动，即光速。因此，他把这个想法称之为——光速不变性，即反映光速不变的特性。

爱因斯坦曾今，一度想把相对论命名为——“不变论”。

那么，要理解四维时空的光速不变性，就要从时间与空间两个角度分别来看，然后再合起来看两者的关联，最后才能感知光速不变性的意义。

首先看空间

在空间中有速度，并且任何一个方向上的速度，都可以分解成三个空间维度上的分速度。也就说，在空间里，速度可以在三个维度之间分解与合成，不同的形式是等价的。
例如，在三维空间中，任意方向的速度，都可以分解成，XYZ轴方向的三个速度。而空间速度的意义，其实就是在三个轴上的运动快慢。

然后看时间

那么，在时间维度中有速度吗？
显然是有的，这就是时间流逝的快慢，这对应了空间里运动的快慢，即：流逝快慢对应运动快慢。
而不同之处就在于，空间速度有三个维度，时间速度只有一个维度。

接着看时空

既然时空是一个整体，且三维中的速度可以分解与合成，而时间维度也有一个速度，那么在四维时空里，空间速度与时间速度，可以互相分解与合成吗？
爱因斯坦认为，是可以的，并且在四维时空里，合速度的上限，就是光速——这就是光速在四维时空里的不变性。
这也就是说，当一个物体，在空间中（相对）静止的时候，此时它的空间速度就是0，时间速度就是光速；那么，如果物体的空间速度越来越快，它的时间速度就会越来越慢，但合速度始终保持是光速；最后，如果物体的空间速度抵达光速，它的时间速度就是0。
由此得出的，就是狭相的结论，即：相对速度越快（空间速度越快），时间越慢（时间速度越慢），如果相对速度抵达光速（空间速度抵达光速），那么时间静止（时间速度为0），相反如果相对静止（空间速度为0），那么时间速度就会是光速。
例如，光子就是空间速度为光速，时间速度为0，而相对静止的物体，就是空间速度为0，时间速度为光速。
可见，这个模型建立的前提，就是光速是速度的极限。

理解时间速度

时间速度为0，很好理解，就是时间不再变化，结合前文论述，也就是物质不再变化。
那么，时间速度为光速是什么意思呢？
从具象的想象来看，就是钟表指针旋转的速度是光速，或有个物体的运动（如钟摆、光子）计量了时间，而这个物体的运动速度是光速。
从物质变化角度来看，如果时间速度为光速，其实就是物质变化为光速，即：物质内部存在一个变化量为光速（这里光速代表的是一个数值），而这可以有两种形式：

第一，变化量从0到光速。
第二，变化量从光速到0。

那么对应到现实，我们看到物质（衰变）辐射出光子的过程，就会在物质内部存在「空间速度从0到光速」且「时间速度从光速到0」的变化。
因为，物质内部减少的质量转变成了光子，于是质量的空间速度——就从0跳变成了光子（空间速度）的光速，而空间速度与时间速度是对应的（即合速度是光速），所以质量的时间速度——必然就是从光速跳变成了光子（时间速度）的0。
由此可见，质量转变成光子的过程——就可以理解为相对静止的时间速度，即：时间速度为光速，也就是物质存在光速变化量。而时间速度，其实也是一种运动，这就像空间速度是一种运动一样。
最后，我们发现物质变化，其实就是「质量到光子」即「质量到能量」的转化。而光子没有质量，只有能量，且时间静止，这说明了——质量拥有时间，能量没有时间，质量到能量的转化，即是时间的方向。

光速不变原理

事实上，钟慢和尺缩效应——是狭义相对论的直接推论和预言，而狭义相对论的基本出发点之一，就是光速不变原理——也就是说，狭义相对论直接使用了这个结论。
光速不变原理——是指无论在何种惯性系中观察，光在真空中的传播速度都是同一个常数，不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。
这很有意思，通俗的来说，就是无论你以什么样的速度，追着光运动，相对于你来说，光速始终都是同一个常数。这是不符合宏观速度矢量叠加原理的，也就是说，如果你以99.999999%的光速追赶光，在你看来，光依然以光速远离你——这个光速依然是同一个常数。
那么，如果你抵达了光速，光会相对于你静止吗？光会像波又像粒子一样，悬停在你的面前吗？
很可惜，狭义相对论认为，有质量物体，是永远无法抵达光速的。
历史上，光速是一个常数，是由麦克斯韦方程组得到波动方程，然后求解出的结果。但这个光速是相对于一个静止的参考系的，即假想中的以太。

以太——是人们曾经认为的，在宇宙空间中充满的一种看不见摸不着的物质，即空间介质。

接着，迈克尔孙-莫雷实验证实——以太这种物质不存在，因为测量不到地球相对于以太参考系的运动速度。
但洛伦兹，相信以太还是存在的，他提出了长度收缩假说和洛伦兹变换，即引入了洛伦兹因子（又称相对论因子），来说明以太可以运动，即长度可以收缩，从而抵消了光速在不同参考系观察下的速度差，以符合迈克尔孙-莫雷实验的结果——光速不变，但又让以太存可以在。并且洛伦兹认为洛伦兹因子，并没有物理意义，只是纯数学的处理。
再接下来，爱因斯坦根据洛伦兹变换，提出了狭义相对论。并且，他认为以太不存在，且光速不变，那么只有假定光速相对于任何惯性系都不变，同时洛伦兹因子本来代表的——以太的收缩，就被转移到运动的物体上。
由此可见，钟慢与尺缩，最初是来源于数学公式推导的结果，而不是对现实世界的物理思考。
同时，我们也可以看出，洛伦兹变换，并不能证明光速不变，反而洛伦兹变换是假定光速不变，才被推导出来的，接着钟慢和尺缩又被洛伦兹变换推导出来。
所以，能够证明洛伦兹变换、钟慢和尺缩的就是——光速不变原理。
然而，光速不变原理——只是一个基本假设，即公理，只能由实验保证，而实验至今也一直守护着它。