相對論認為世界線的長度就是一個人所經(jīng)歷的時間,對嗎

2023-08-09 21:46

1個回答
簡單來說,正確。以下是詳細說明。
首先,相對論研究的對象一般是質(zhì)點或者光子的事件,或者也可以虛構(gòu)一個觀者,整體的一個人研究起來相當(dāng)麻煩(引力過大可以把一個人扯碎,這個“人”就不是人了)。其次,相對論中時間的定義也相當(dāng)麻煩,必須分清固有時和坐標(biāo)時的區(qū)別,固有時是一個粒子真正經(jīng)歷的時間,而坐標(biāo)時只不過是某個坐標(biāo)的間隔而已,有時甚至可以不是類時的。
所以,這個命題更加科學(xué)的說法是:觀者世界線的長度就是它的固有時。這是相對論中一個比較重要的結(jié)論。(以下符號^表示上標(biāo),_表示下標(biāo))
我們首先討論狹義相對論,即忽略引力,背景是平直的四維閔氏時空(R^4,η_ab),某個質(zhì)點在時空中運動可以畫出一條世界線。我們可以①在某個慣性系中建立一個洛倫茲坐標(biāo)系(x,y,z,t)(即四維空間中兩兩“垂直”的坐標(biāo)系),它的線元為:dτ2=-dt2+dx2+dy2+dz2,此即四維時空中某兩個“點”之間的“距離”平方,相對論中一般默認光速c=1,注意這里的dτ2是一個符號,它不是指某個數(shù)的平方,可正可負。對于實物粒子,速度達不到光速,它的世界線是類時曲線,dτ2<0,所以其固有時定義為△τ=∫√(-dτ2),其中積分是沿著世界線的;而對于光子,dτ2=0,所以光子沒有固有時概念,或者也說光子的固有時是零(也就是一般人說的達到光速時間就“停止”的意思)。
另外,我們可以②相對于另外一個慣性系靜止建立另一洛倫茲坐標(biāo)系(t',x',y,z)(即洛倫茲變換,也叫偽轉(zhuǎn)動);或者③把它平移一下,得到另外一個坐標(biāo)系(t'',x,y,z);④旋轉(zhuǎn)一下得到(t,x''',y''',z);⑤相對一個加速運動的觀者建立一個倫德勒坐標(biāo)系(θ,ρ,y,z);⑥甚至我可以在時空中隨便畫四組彎彎曲曲的線簇,只要它們“不平行”,就可以構(gòu)成一組坐標(biāo)系(a,b,c,d)……這些坐標(biāo)系中的“t, t', t'', θ, a”我們可以把它叫做坐標(biāo)時。原則上,只要沿著世界線的某個參數(shù)是單調(diào)變化的,我們就可以稱它為“時間”,即坐標(biāo)時。
雖然在不同坐標(biāo)系(①~⑥甚至更多)下,線元dτ2的表達式各不相同,但是對于某兩個確定的事件,其固有時△τ卻是相同的。(就如同不管選直角坐標(biāo)還是極坐標(biāo),平面上兩點間的距離算出來始終相同。)或者我們可以說:坐標(biāo)時是人為選定的,相對的;固有時是世界線的長度,絕對的。
過渡到廣義相對論,即四維單連通流形配一個洛倫茲號差的度規(guī)(M,g_ab),它的線元定義為dτ2=(g_ab)(dx^a)(dx^b),其中重復(fù)指標(biāo)求和,原則上有4×4=16項,但一般來說可以選擇適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系使得交叉項為0,減少到4項。雖然其情況較狹相復(fù)雜得多,但結(jié)論還是類似的,仍然是:質(zhì)點△τ=∫√(-dτ2);光子沒有固有時。
例如Kruskal延拓的史瓦西時空中:在黑洞視界外面(r>2M)一般就選t為坐標(biāo)時;而在視界里面(r<2M)由于坐標(biāo)時沿線單調(diào)的約定,選擇r作為坐標(biāo)時更加方便。所以有人說:進入了黑洞時間與空間互換了。這個說法是片面的,因為坐標(biāo)時只不過是人為選定的,而固有時仍然不變,粒子進入黑洞經(jīng)歷的時間仍然是世界線的長度!
最后再強調(diào)一點:度規(guī)體現(xiàn)時空本質(zhì),是絕對的;而坐標(biāo)系是人為選定的,相對的。
參考:梁燦彬《微分幾何入門與廣義相對論》上冊 6.1.4固有時與坐標(biāo)時。
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相對論認為世界線的長度就是一個人所經(jīng)歷的時間
4個回答2023-01-31 02:45
否。。。。。。。。。。。。。。。。。。
相對論認為世界線的長度就是一個人所經(jīng)歷的時間這句話對么
2個回答2023-02-12 09:01
對。確切的說一個觀察者所經(jīng)歷的固有時是這個觀察者的世界線長。 設(shè)觀察者與閔式空間任意點的線元ds^2=-c^2*dt^2+dx^2+dy^2+dz^2=-c^2dt^2+v^2dt^2,因為該觀察者...
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1個回答2022-11-17 07:21
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1個回答2023-07-12 20:25
對。確切的說一個觀察者所經(jīng)歷的固有時是這個觀察者的世界線長。 設(shè)觀察者與閔式空間任意點的線元ds^2=-c^2*dt^2+dx^2+dy^2+dz^2=-c^2dt^2+v^2dt^2,因為該觀察者...
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