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相对论和不朽的物理学

2023-10-19 19:58阅读：

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相对论和不朽的物理学
没有任何东西是永恒的，至少不在物理的宇宙中。但相对论允许我们从一个角度来比永远更近得到。
STARTS WITH A BANG — OCTOBER 18, 2023
Ethan Siegel
相对论和不朽的物理学
在广义相对论的上下文中，一个虫洞是空时中两个不同的、互不相连的事件之间能发生立即传输的一种方式。这些“桥梁”仅在这个时间中点上是数学好奇，从来没有发现物理虫洞已经来存在或已经被创造，但如果发现了一个，它可以立即测试广义相对论的预测，以及任何替代的竞争者。Credit: vchalup / Adobe Stock
关键要点
无论你是谁或你在哪里，或者你多快旅行，时间对你这个观察者总是以相同的速度旅行：以每秒一秒的速度，总是，在所有情况下。
然而，通过将你自己提升到近光速，对宇宙的其余部分时间将比它对你更快，使你能够在死前观察所有宇宙历史展开。
通过利用一些技巧，像变成一个光子或体验引力的时间稀释，似乎可以永久的来忍受，但这只是一个视角的技巧。最终，一切都将屈服于时间的不可避免的流逝。
从你自己的体验的角度，如果你从来希望来取得不朽，物理学的法则被堆积反抗你。从一个热力学的角度，每个系统都倾向增加熵和无序，你能抵抗这个问题的唯一方法是通过恒定的输入一个外部能量来源，换句话说，你的身体和思维将最终崩溃。尽管你可能试图来利用相对论的力量来稀释时间并减缓它的流逝，但从你个人的角度这个将永远不起作用，;时间仅以一种与你自己的不同的参考系框架相对于一个观察者稀释或减慢。
虽然这可能将一个人类的不朽梦想约束到依赖技术增强或科幻小说水平技术依赖新颖的物理法则和/或现象的解决方案上，但对相对论仍然有很多关于永生要来法的，至少，相对于宇宙的其余部分。虽然几乎所有生活在今天的人将肯定的在下一个世纪是死的，但我们应该仍然在地球上，来自狭义相对论和广义相对论的教训教我们，如果我们真的要最大化我们能在我们的宇宙内作为生物度过的时间量，有几个我们应该努力奋争的物理情况。这里是我们都需要了解的关键洞察。
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这个移动的、疾驰的星场出现来描绘一个穿越空间的超相对论运动，极端接近光速。在相对论定律下，如果你是由物质构成，你既不会达到也不会超过光速。如果你有一个足够量的一个高效的燃料，你也许能够接近它，但你仍然需要来遵守相对论的规则。Credit: Jahobr/Nevadawest of Wikimedia Commons
相对论的基础：空时
即便我们通常信誉爱因斯坦克服自牛顿时代以来已经把持不稳的空间和时间的想法并提出将它们编织在一起的一个四维织造的革命性概念------空时------但毕竟不是爱因斯坦提出了这个关键的见解。真的是，1905年对爱因斯坦是一个标志性的一年，有两个关键的推动了狭义相对论的见解：
物理学的法则在所有非加速参照框架中它们都是不变的，或者它们确实不改变。
在一个真空中的光速c对所有观察者都是同一的，无论他们的运动或问题中的光源的运动。
虽然这些见解对爱因斯坦来建立出包含狭义相对论的框架，包括由不同观察者体验的长度收缩和时间稀释以及“同时的”概念的相对性，但它并不一定将空间和时间放在就像彼此的同一脚跟一样。也许具有讽刺意味的是，做了这个的人是爱因斯坦的前教授赫尔曼·闵可夫斯基（Hermann Minkowski），他在他以前的学生的基础上通过将空间和时间一起编织成一个单一的四维实体：空时。
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一个光锥的例子，所有可能的光线到达和离开一个空时中的点的三维表面。你在空间中移动越多，你在时间中移动的就越少，反之亦然。只有你的过去的光锥中包含的东西能影响今天的你，只有在你未来光锥内包含的东西能被你在未来感知。这说明平坦的闵可夫斯基空间，而不是广义相对论的弯曲空间。在我们的实际宇宙中，自大爆炸被创造以来仅创造的约4%的恒星和恒星系统想在是可观测的。Credit: MissMJ/Wikimedia Commons
闵可夫斯基在他的由于一个急性阑尾炎44岁时英年早逝前不到一年发生的一次演讲中提交了名言，内容如下：
“我愿望摆在你们面前的空间和时间的观点已经从实验物理学的土壤涌现出来的，在这里躺着它们的力量。它们是激进的。从此以后，空间本身和时间本身注定要消失进单单阴影，只有两者的某种联合将保持一个独立的现实”。
闵可夫斯基的壮观认识是，虽然在相对论变换下时间和空间都不是不变的（即确实不变化），但有一个确实仍然不变的量：空时间隔，或者如闵可夫斯基叫为“爱因斯坦间隔”。它表明，虽然你穿过空间和时间的运动，单独的能取任何值，从毕竟没有运动到光速，但你的通过时间的运动（平方）和你的穿过空间的运动（平方）之间的差异将总是仍然同一。这一关键认识导致了空时作为来考虑的关键重要物理量的定制，甚至多年后：当引力进入了这张画时它会仍然如此的。
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就事件的发生被关注，不同的观察者会标记不同的时间和不同的空间位置。然而，对所有参考框架中的每个观察者，被称为空间隔（或闵可夫斯基称之为爱因斯坦间隔）的量将仍然不变的。Credit: Ma时schen/Wikimedia Commons
平坦中的时间和弯曲的空时
狭义相对论教了我们某些关于时间的深刻东西：相对于一些仍然静止的观察者，一个乘坐火箭飞船并接近光速旅行的人，将靠返回到开始并仍然静止的观察者发现他们已经都：
穿过太空旅行了一个更远的距离，
并且也穿过时间一个远更少的量。
这与爱因斯坦（和闵可夫斯基）不得不教给我们的一切是一致的，最著名的被所谓的双胞胎悖论描述，双胞胎中接近光速（并改变他们的参考系）的比仍然在家里的双胞胎体验更慢的时间流逝。
但当相对论不仅仅被在一个平坦、空旷的宇宙的特殊案例下而是在一个更现实的一个充满物质和能量的宇宙的案例下考虑，，包括聚集在一起的大量物质来源，空时将需要被一般化。不是闵可夫斯基提出的简单、扁平的时空，而是将需要创建一个全新的理论：
一个空间和时间仍被一起编织成一个织造，仍然包含一个类似的不变间隔的，
但由于它之内所有物质和能量的存在和分布，空时本身被允许来弯曲（并来演变）。
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地球围绕太阳的引力行为不是由于看不见的引力拉力，而是更好被地球被太阳主导的穿过弯曲的空间自由落下描述。两点之间的最短距离不是直线而是测地线：一个由空时的引力形变定义的曲线。“距离”和“时间”的概念对每个观察者都是独一无二的，但在爱因斯坦的描述下，所有参考框架都相等的实在，“空时间隔”仍然是一个不变的量。Credit: T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab
再一次，你穿过太空中越快，相对于某些仍然静止的人，你体验时间的流逝就越慢，但这一次有一个转折。就宛如你占据的空间越被严重的弯曲，时间的流逝也越被弯曲，以完全相同的“一个增加，另一个减少”的方式。这是为什么时间以不同的速度流逝依靠你的高度，以及为什么你的头部（离地球中心更远，在一个空时曲率略更小的区域中），与你的脚比老化更快。
帕克太阳探测器比任何其他天体都更接近我们太阳系中最大的质量（太阳），就引力时间稀释被考虑到它是目前相对于地球最不同步的物体。但来自狭义相对论的一般化版本------广义相对论------包括引力的教训远远超出我们的太阳系。它教我们一个物体越密集，你离它越近，空间和时间的曲率就越严重。在最极端的场景中，就在黑洞的事件地平线之外，实际上毕竟没有时间为你流逝，而外部宇宙的其余部分继续像正常一样老化。

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虽然空时被弯曲和扭曲的量取决于问题中的天体当你靠近天体边缘时天体多密，但天体所占据的大小和体积对远离质量本身是不重要的。对一个黑洞、中子星、白矮星或像太阳这样的恒星，在足够大的半径空间曲率是相同的。然而，靠近一个黑洞的事件地平线，比其他任何地方取得了更严重的曲率。Credit: OpenStax University Physics
不朽的物理学
这建立起两条不同的现实路线来体验宇宙的遥远未来，就宇宙时间的流逝被考虑，在一个单一的、正常的、非增强的人类一生中。
你能尝试尽来尽可能接近光速，了解你越接近那个到顶的速度限制c，你如何体验时间和一个仍然静止的观察者如何体验时间之间的差异就越大。
你能尝试尽可能深的潜入一个引力场，在那里空曲率是最强的，不用跨越“不归的点”（即事件地平线），你仍然在那里的时间越长，你如何体验时间和远离你屈服于引力影响的某人如何体验时间之间的差异就越大。
第一个仅依靠狭义相对论，能通过想象你进入一艘能够以我们所谓的“1g”或地球表面重力提供的加速度连续加速：9.8 m/s²的火箭飞船被非常简单的描述。随你的速度加速起来，你将发现时间流逝的速度对你就像对任何外部观察者一样的速度几乎相同，而且你接近但永远不会完全达到光速。

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这四张图表都是同一计算的部分，但显示在不同的时间尺度上，显示以“1g”或地球上的引力加速度将如何导致你的速度增加，并（最终）相对于回到地球上一个静止的观察者接近光速。Credit: E. Siegel
但随你越来越接近光速------随相对论效应开始来主导传统的牛顿效应------整个宇宙未来开始来经过你。在以1g的速度加速大约10年后，你会发现你相对于你的环境正在难以置信的接近光速：以299792457米/秒的速度旅行，或仅羞于光速1米/秒。你的火箭飞船将已经旅行了10光年以上（但不到15光年），但回到地球上某些人将已经体验20多年的时间流逝。随您继续加速，这种差异只会变得更严重，尤其是在高速。
在你的飞船上呆了20年后，你将已经旅行超过100光年（因为长度收缩），而在地球上的人将已经衰老数百年（因为时间稀释）。
30年后，你将已经旅行数千光年，而在地球上的人将已经衰老近10000年。
50年后，你将已经旅行数十万光年，而地球上的某人将已经衰老数百万年。
100年后，假设你活得那么长（嘿，这是可能的！），你将已经旅行了数千亿光年（比可观测的宇宙更大），而对一个地球上的观察者（现已被摧毁的）数千亿甚至数万亿年（比现在的宇宙年龄还要长）已经流逝。

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如果你坐进一艘宇宙飞船，在整个旅程中以1g（地球加速度）的速度加速，在几年的加速之后，你可以以接

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