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音频在哪里？音频在这里。 今天是王木头讲科学的第7期节目。 来自北京大学的木头哥哥是把科学带回家的明星主持人，他最擅长给孩子讲有趣的科学。 ▼ ▼ 用听的 ▼ ▼ 四维时空 来自把科学带回家 00:00 05:51 ▼ ▼ 用看的 ▼ ▼ 伽利略说运动是相对的，到底是静止还是运动，是快还是慢要看是和谁相比。后来科学家们发现，其他东西看起来都挺对的，只是这个光太特别了。不论是和谁比都在运动，而且运动的速度还都是30万公里每秒。为了解决光速奇怪的特点，科学家们尝试了各种方法，最后还是爱因斯坦完善了伽利略的理论，提出了不只是速度是相对的，时间也是相对的。 这一下子就到打破了人们几千年来对时间的认识，很久以来人们都觉得时间应该是一种非常特别的存在。时间是绝对的是公平的，不会被任何事情所干扰。不论是宇宙中还是地球上，过去还是未来，对于你还是对于我，一秒钟就是一秒钟。像是什么天上1天地下1年的说法只是神话传说罢了。可是现在，时间好像也没有想象的那么特别了，它也是可以被影响的，只要在空间中运动就可以让时间变慢。 不过也难怪人们很久都没有发现，因为光速太快了。不论是坐火车，还是坐火箭，人类所能达到的速度都远远比不上光速。虽然再慢的速度也会影响到时间，但是带来的时间改变却是非常小的，小到了根本察觉不到，所以才几千年来都没有被发现。 爱因斯坦说，既然时间并不再那么特殊了，那么不如把它和空间合在一起，这样子我们的宇宙就是处于一个四维时空了，时间和空间是统一的。 一维很简单，一只蚂蚁沿着一条细线上走，我们只需要知道一个数字就可以知道它位置，那就是它在细线上走过的距离。如果二维的，确定一个准确的位置就不能用一个数字了，而是两个。就像是你在队列里站着，必须确定几行几列才可以确定你的位置。如果是三维，当然就需要三个数字才能确定一个具体的位置了。除了行列还需要有一个高度的数字。简单的说，我们平时说的三维，一维是线，二维是面，三维是体。 现在又要加上时间了，时间就是第四个维度，除了3个用来表示位置的数字，还需要一个数字用来表示时间。就像是你约了和朋友见面，除了约见面地点还需要约定时间，是几点几分见面，错过了就见不到了。 有了四维时空，其实可以让我们想明白一件事情，那就是光速。如果是在三维空间中，我们可以静止，也可以运动，但是运动最快只能达到光速。如果是在四维时空中这个问题会更简单，任何事物都是在以光速运行着，压根就没有静止的概念。我们平时说的静止，是在三维空间中静止，但是这个时候却是在时间维度上快速运动，这也就是相对论说的，静止的物体时间流逝最快，这个流逝的速度就是光速。 光速是我们宇宙的一个基本特征，是宇宙的基本常数之一。在宇宙诞生的时候就已经确定了——30万公里每秒。如果存在平行宇宙的话，或许其他宇宙的这个数字会更大，60万、70万、1个亿都有可能，当然也有可能更小。 就像是宇宙有一个存储运动的银行账户，里面存着的运动总数值就是光速，在所有维度上的运动合起来都必须等于光速。物体在三维中静止了，时间维度就会把全部运动都分走，如果在三维空间中运动起来了，那么时间维度就会减少时间的流速，保证四维空间中的总速度还是是光速。如果在三维空间中的速度已经达到了光速，那么在时间维度上的流速只能是0了，也就是时间静止了。 这就是四维时空的奥秘，时间的流逝和空间中的运动可以相互转换，而且它们有个总数值，那就是光速。任何物体任何状态它在四维时空中总是以光速运行着的。 当大家还在认为自己已经来了解了宇宙的本质的时候，我却要提醒大家一些，别着急欢呼，因为现在这一套理论还是不完善的。有两种情况爱因斯坦还没有考虑清楚，一个是物体的运动发生改变的情况，一个是物体受到万有引力吸引的情况。这两种情况可能适用于相对论，也有可能完全不适用。爱因斯坦在1905年第一次提出相对论的时候，他还没有完全想明白这两种情况下会发生什么，但是他坚信相对论的理论是可以把这两种情况包含进去的。直到10年后的1915年，爱因斯坦终于证明了，即使在这两种情况下相对论也是适用的。 所以我们所说的相对论是有两部分的，最开始提出的叫做狭义相对论，后面提出来的叫做广义相对论。狭义的意思，就是范围小，这个理论只适用于匀速直线运动的情况。广义的意思，就是范围广，这个理论就不只是在匀速直线运动的情况下适用了，在速度发生变化或是受到引力吸引时也同样适用。我们最开始说的，越靠近黑洞受到的引力越大，时间就会越慢，这个结论就是用广义相对论得出来的。 我们会更详细的解释广义相对论，但是在下一期内容，我会先给大家普及一些有关光的知识。只有掌握了这些知识，不论是回头看之前讲的狭义相对论的内容，还是学习后面广义相对论的内容，都会理解得更加透彻。 好了，这次的内容就到这里了，下一次我们讲光。 |
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