广义相对论、时间和第四维度——最简单的解释


广义相对论、时间和第四维度——最简单的解释

许多人混淆了时间的生物流逝和时间的物理概念。

在大脑中,从生物学上讲,时间的流逝是由位于内侧颞叶的海马体来维持的。海马体是边缘系统的一部分,边缘系统是物种的生存系统,它被包围在古哺乳动物的大脑中。它在信息整合中起着重要的作用;从短期记忆到长期记忆,以及在空间记忆中导航。它本质上是我们身体的惯性测量单位。我们在空间和时间中的瞬间都记录在海马体中。

为了让你对生物时间失去方向感,我所要做的就是给你大脑的颞叶一个精心设计的打击。这可能会导致逆行性失忆,当你在消失的记忆之间切换时,你的时间感也会消失。你的时间指数消失了。你开始在生物学意义上的空间和时间之间绊倒。很有可能你会陷入不同的生物时间轴之间,你将无法区分过去和现在。你大脑的其他部分会试图与海马体协调,但会失败。

这并不意味着它会影响所有人。他们将继续他们的正常生活。这意味着,只有你对生物时间的主观感知会受到影响——而时间就是你的主观体验。

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如果我能说得更清楚些,我会说时钟不能测量时间。时钟测量事件之间的间隔。时钟只测量事件并使用数字索引它们。这个数字与你当时的精神状态有关,这就是大脑中信息的时间印记。粗略地说,它可以表示为一组{时间,事件}(同样,过于简化:这是数十亿神经元放电的结果,创造了一个复杂的混沌电路)。它服务于生物学和社会文化目的。没有这个索引,我们就无法在大脑内存中存储任何东西。就像我们书中的索引,或电脑数据库,生物时间是一个概念,我们使用它来有效地存储和检索记忆,无论何时需要。对我们来说,它总是昨天,去年,明年,或今天。这是我们的时间锚,让人类计划、存储和记忆事物,并通过一个共同的时钟来更好地运行文明,测量这些事件之间的间隔。

通过将我们对时间间隔的测量与其他所有人的时间间隔匹配起来,我们发明了世界上有史以来最强大的协作和规划工具——时间——它控制着我们所有的活动,甚至是我们每年制造的数十亿复杂机器的活动。

既然时间的生物学概念和物理学概念之间已经有了明确的区分,让我们深入研究物理学概念。

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现在,把时间想象成一个更高维度的概念。你不能从视觉上感知它,因为你还没有发育出这样做的感觉器官。所以,如果你能用一个类比来理解这个概念,那将是对你自己的一种帮助。想象你是生活在二维平面纸上的蚂蚁。你可以在X和Y空间维度中移动。你可以穿越欧几里得宇宙的长度和宽度,但遗憾的是,不能穿越深度或高度。那是因为你还没有长出感觉器官或智力来感知第三维度。

现在想象一下,你的纸被弄皱了,这会在平坦的笛卡尔平面上产生三维扭曲,在三维空间中创造出你看不到的山和谷。但是,当你走在山坡上的时候,你会发现一个神秘的,看不见的力量,阻止你在直线上移动,拖着你向左或向右。这样,你就会明白,力是高维几何的一个结果。这是对杰出的伯恩哈德·黎曼的类比,他是第一批建立万有引力数学仪器的人之一,几十年后,爱因斯坦用它写出了我们整个历史上最优雅的方程——万有引力场方程。黎曼的结论是,电、磁和重力是由我们的三维宇宙在看不见的第四维度的崩溃所引起的。在那里,有一个4维流形的存在。

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仅凭这一种直觉,伯恩哈德·黎曼,在19世纪,就打破了物理学中的三维欧几里德教条,这一教条限制了我们在数千年的时间里观察我们感知之外的事物。

现在,就像蚂蚁的第二维度蜷缩在一个看不见的第三维度,我们的第三维度蜷缩在一个第四维度,我们无法看到,但是我们将能够通过相互作用的方式来感知它与我们合作,并制定方程来控制更高的维度。这就是爱因斯坦所做的。当我们所有的直觉都被困在我们智能感知的世界里时,黎曼和爱因斯坦都感知到了一个我们无法感知的数学世界。他们推导出了支配这个维度的定律。所有的方程式都得到验证——在我们进行的每一次实验中。它的美妙之处在于,它几乎是形而上的,但却是数学化的,它与灵性的路线是一致的——但它仍然以世界上从未见过的最美丽的方程组为基础。

这一发现的意义永远地改变了我们的世界。

在地球表面,你可以沿着南北向、东西向的组合移动到任何地方。您只需要两条信息来编码空间信息—纬度和经度。如果你在飞机上飞行,你可能需要第三个数据——高度。如果没有这些数据,即使两个人长时间站在同一个地方,你也不可能看到对方。

时间也是一样。

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1905年,爱因斯坦的狭义相对论告诉我们,光速是一个宇宙速度极限,当你接近它时,“神秘”的事情就开始发生了。时间慢下来,长度就会缩短。

你可以从时间膨胀方程中看到,当速度接近光速,时间膨胀增加,当它达到光速时,你可以看到时间变成了零。

但是,最大的突破也许是在1907年,当时爱因斯坦的老师明可夫斯基意识到爱因斯坦的相对论具有非同寻常的含义:在数学上,时间的行为与空间完全相同。


然而,爱因斯坦看到,第四维度可以服务于更高的目的。统一自然法则。他刚刚显示,时间和空间可以相互旋转,所以它可以被视为一个单一的实体,称为时空。通过增加更高的维度,爱因斯坦可以将在3维世界中没有任何联系的物理概念(例如物质和能量)结合起来。

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为此,你可以做一个类比,从米奇奥·卡库的超空间中复制这个类比。每当罗马发生战争时,那些能够到达高山或丘陵的政党就比他们的敌人有优势。他们可以从更高的平面上看到敌军的队形。在这种情况下,一个更高的平面,或维度高度作为一个平台,可以简化他们的观察,存在于他们的视线之外。

这是一个经典的例子,说明自然法则在更高维度上是如何简化的。作为三维空间的囚徒,我们能做的就是把同样的思维扩展到第四维度。

同样地,另一组令人困惑的方程是麦克斯韦电磁场的8个方程(4个耦合方程),这在当时即使是物理学大师也感到困惑。当时间被纳入第四维时,那些偏微分方程在一个主行程中被简化成一个美丽的对称方程。原来的8个方程所包含的信息都保留在最后的4维方程中,具有更高的对称性。在这个方程中,空间和时间可以互换而不产生任何后果。

因此,时间作为第四个维度,简化了自然法则。

当维度上升时,一个简单的,直观的,但平凡的方程最终会被构造出来。它可以把引力、电磁力和核力的场方程统一为一个方程。它可以解释宇宙中所有的现象——被称为“万物理论”——或“最终理论”——物理学的圣杯。

它是我们所能接近的上帝,以及整个宇宙的机制,所有这些都存在于一个雄辩的等式中,可以通过实验加以验证。

但是,正如智者所说,灵性和想象力,即使缺乏经验的证明,也可以产生一种思维,在科学原理缺乏信仰飞跃的地方,它可以作为一种延伸。就像我们想象的第四维度。

广义相对论描绘了一幅宇宙的新图景,其含义如下。

  • 即使你完全静止不动,你也在时间中移动。
  • 你在空间中移动得越快,你在时间中移动得越慢。
  • 如果你以光速运动,或者如果你完全没有质量,你会瞬间穿越时空。也就是说,你不会有时间。所以只要考虑到光子,它就不会“经历”时间的流逝。对于光子来说,大爆炸和宇宙热死都是瞬间发生的。

如果你取第三点,一个像介子这样的不稳定粒子,它属于被称为轻子的一类基本粒子,可以用来观察时间膨胀。是不稳定的,它的寿命是2.2µs。在它解体前的短暂生命期内,它以光速行进的距离由基本方程给出,距离=速度*时间。但是,我们已经观察到,介子是在高层大气中形成的,穿过整个大气层到达地球表面。

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​这意味着它经历的时间只比我们少。

根据广义相对论,它们的含义是,空间和时间可以相互旋转,而且它们都是一样的。因此就有了时空这个术语。

爱因斯坦对他的引力场方程有证明和直觉,但他没有数学仪器来表达他的推导。在爱因斯坦之前的几十年里,黎曼有数学仪器,但没有爱因斯坦的物理直觉。

黎曼认为自己是一个有信仰的人,他相信数学是为上帝服务的方式,他在1866年死于极端贫困和肺结核,因为他的高维方程没有被科学界所接受。

半个世纪后,阿尔伯特·爱因斯坦在“狂怒”地寻找用数学表达他的引力场方程时,非常巧合地遇到了黎曼张量。他发现他的场方程可以用黎曼张量完美地表达出来。因此,黎曼张量在史上最著名的方程中找到了它应有的位置——在他痛苦地死去半个世纪之后。

把时空想象成一个四维流形,它会受到质量的影响。爱因斯坦假设了应力-能量张量来描述这个场。这张量给我们确切的“弯曲”的时空存在的质量和能量(相当于质能等价或E = mc²),这个曲率,可称为测地线——一条在更高维度的曲线。

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让我告诉你,上面的图像过于简化了它。时空格,或者你在图像中看到的坐标,在质量的存在下会收缩,产生测地线。

这就产生了引力。这就是重力吸引你的原因。重力是第四维度时空覆盖层扭曲的结果。就像蚂蚁在平地上的山丘和山谷,它们看不见,却能感觉到。

仍然有几十年的推导和解释,例如,一个热力学的时间解释,给我们的“时间之箭”。

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