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相对论中的因果关系——给高中生的狭义相对论(三)

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作者:锁相(凝聚态物理学博士)

上接:

尺缩时延可以由洛伦兹公式给出具体的表达式,在介绍洛伦兹公式出现的条件时,我们提到了间隔不变性,我们先从熟悉的空间距离讲起。

高中介绍过立体几何,自然也知道三维直角坐标系,坐标系的原点可以标示为(0,0,0),假如有一把尺子,一端在(x1,y1,z1)原点上,另外一端的坐标在(x2,y2,z2)上,那么——

——就是尺子的长度,也是三维空间中的空间距离。当我们随便使用另外一个三维坐标系时,因为三维空间属于经典力学,经典力学中一个物体的长度是绝对的,所以这个空间距离保持一致。

通过之前的介绍,我们知道在狭义相对论中,因为长度收缩,这样的空间距离不变性不再成立。由于狭义相对论中空间和时间的概念不是完全分开的,三维空间已经不足以描述物理规律,在(x,y,z)之外,我们需要加上第四个分量时间t,所以四维空间中“空间距离”不是不变量,加上时间的“空间间隔”才是不变量,间隔的平方定义为

有时候这个规律直接称为“四维空间间隔不变性”。时间乘以光速是为了得到距离的单位,才可以与x,y,z进行比较,这一点不难想象。而为什么时间乘以光速后与空间距离差了一个正负号,解释请见文章末尾的“时空坐标变换的必须条件”。

我们可以通过间隔的定义来理解相对论时空观中的因果关系。我们有两个事件,事件1发生在坐标原点(0,0,0,0),事件2发生在(x,y,z,t)(更准确的四维空间坐标定义将在后续的“四维空间与E=mc2”中介绍)。首先我们考虑s2=0的情况,这时候间隔的一端(事件1)到间隔的另外一端(事件2)等于0。这就意味这两个事件可以用光联系在一起,比如说,在原点发出一束光(事件1),t时间后,(x,y,z)接受到这束光(事件2)。

为了画图方面,我们省略了z轴,以x,y和ct为轴用图八示意。省略z轴是因为实在没办法简单画四个自由度的图。图八中,你站在坐标轴的原点,标着space的平面是x轴和y轴构成的此时此刻的三维空间。沿着时间轴ct向上的部分还未发生,是读者所在地的未来,沿着时间轴ct向下的部分已经发生,是读者所在地的过去。空间间隔=0的面就是圆锥面,所以这个图也被称之为光锥图。因为间隔的划分是绝对的,不随惯性系改变而改变,所以图中的圆锥面在任何惯性系中都是圆锥面,继续啰嗦下去,这个圆锥面内的空间在任何惯性系中永远在圆锥面内,圆锥面外的空间在任何惯性系中永远在圆锥面外。请注意,接下来除了双生子佯谬的讨论,我们只使用了一个坐标系,不存在相对运动的概念。

光锥。图片来源:wikipedia:Light cone。

管锥面代表了光可以联系最“远”可能间隔,而光速是速度的上限,所以圆锥面外的四维空间是与原点无法联系的四维空间。事件发生在圆锥面外,代表了事件与读者是绝对异地,不论在哪个参照系中观测,事件与读者的现在不可能在同一地点发生。事件发生在上圆锥内,代表了事件发生在读者的绝对未来。事件发生在下圆锥内,代表了事件发生在读者的绝对过去。所谓的绝对未来和绝对过去,这里面就给出了因果关系的限制条件。因果关系,在物理的语言里面,得满足因和果之间的时间先后顺序。

我们通过图九来举例光锥与因果律之间的联系。事件A发生在时间=0的异地:读者现在打个喷嚏,事件A就当做我也同时打个喷嚏(这时候我们俩不相对运动,打喷嚏可以有同时发生这样的概念),我们无法判断两个喷嚏之间的因果关系,只能说你和我肯定在两个不同的地方呆着。事件B发生在时间=t的xy平面原点:事件B读者打完喷嚏后擤鼻子,这个因果关系对于你是显然的,事件B只能在光锥原点的时间顺序之后发生,也就是说,在绝对未来的区间里发生。事件C发生在异地异时间,比如说太阳上发光强度的一个扰动。如果时间t为你喷嚏的1分钟后,那么C在光锥之外(因为太阳光到地球要8分钟),从某些参照系上看,太阳的扰动可能发生在你打喷嚏之前。因为喷嚏和太阳扰动之间的间隔时间小于光能传播的时间,所以这两件事情谁先谁后是无法真正比较的。换句话说,如果你打喷嚏能影响太阳发光强度的话,也只能影响八分多钟后的太阳,然后再过个八分多钟地球上的人才能感觉到。

绝对异地与绝对未来示意图。

我们再在光锥中用双生子佯谬理解绝对未来。双生子佯谬指的是一个钟绕闭合回路回到原点时,它所经历的总时间小于原地点静止的钟所经历的时间。一个经典的例子是:一对双胞胎,哥哥呆在地球上,弟弟在宇宙飞船中高速运动,因为运动的钟变慢,最终哥哥觉得弟弟比较年轻,弟弟觉得哥哥比较年轻。当弟弟返回地球上时,谁比较年轻只能有一个答案,而不能是相对的。从双生子佯谬的定义上,大家不难猜出弟弟比较年轻。在双生子佯谬中,从因果关系考虑,飞船航行和归来必然在飞船离开地球之后。当飞船回到地球时,相当于回到空间坐标原点,回到ct坐标轴上,所以飞船在绝对未来的圆锥内。因为飞船的速度无法超越光速,所以飞船在光锥图中橙色轨迹也只能在绝对未来的圆锥内。

最后,我们思考一下时空旅行为什么不可能。因为间隔不变性在任何惯性系内都是一致,所以光锥的绝对未来部分和绝对过去是截然分开的。不论我们用多快的速度旅行,在相对论的知识体系内,我们都无法回到过去。回到过去也是跟因果关系相违背的,至于平行宇宙的说法,没有实验证据可以证明其存在。

下一章节,我们将讨论相对论中的四维空间,并由此引出为什么物体的速度无法超越光速和著名的质能关系式E=mc2。

名词解释——给有兴趣深究的朋友们

时空坐标变换的必须条件

1,此变换是线性的,这是惯性系的要求,本系列文章不再详细介绍。

2,此变换满足间隔不变性,间隔的平方定义为:

这一点来自光速不变原理。假如两个惯性系在原点重叠时,原点处发出一束光,在两个坐标系中

都必须满足。所以s的定义满足光速不变的要求。至于为什么一定是s这样的表达式,还需要从线性变换的条件进行推导,本系列文章不再详细介绍。

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