_相对论_宇宙与时空_连载_时间的性质_下_
宇宙边界和时间的相对性
宇宙边界和时间的相对性宇宙边界和时间的相对性是现代天文学和物理学中的一个重要课题。
探讨宇宙边界和时间的相对性，需要从广义相对论的观点出发。
广义相对论是爱因斯坦在1915年提出的一种描述引力的理论。
它认为，物质和能量会弯曲时空，并在时空中形成弯曲的轨迹，从而影响物体的运动轨迹。
根据广义相对论的观点，宇宙的边界和时间的相对性是相互关联的。
首先，我们来讨论宇宙的边界。
根据现代天文学观测到的宇宙膨胀的证据，宇宙从大爆炸开始时是一个非常热，高密度和高能量的状态，随着时间的推移，宇宙逐渐扩展并冷却下来。
然而，我们无法确定宇宙的边界在哪里。
根据广义相对论的观点，宇宙并没有固定的边界或界限，它是一个无限扩展的空间。
这是因为引力场的存在导致了空间的弯曲，使得宇宙可以无限扩展，没有边界限制。
其次，让我们来探讨时间的相对性。
相对论中的时间相对性理论认为，时间不是一个绝对的概念，它是相对于观察者的运动状态和引力场的强度来决定的。
根据相对论的观点，时间相对性可以导致时间的流逝速度因为不同空间的运动状态和引力场的强度而发生变化。
这一观点在物理实验中得到了验证，如卫星导航系统(GPS)的运行和中微子实验中的观测结果都证明了时间的相对性的存在。
在宇宙中，时间的相对性与宇宙的膨胀有一定的联系。
根据宇宙膨胀的观测数据，我们知道宇宙的膨胀程度是随着时间的推移而加速的。
这意味着在膨胀快速的宇宙中，时间流逝得更慢，而在膨胀缓慢的宇宙中，时间流逝得更快。
然而，我们需要注意的是，这种时间的相对性只在宇宙的大尺度和长时间尺度上才会显现，对于小尺度和短时间尺度上的事件，时间的相对性是微不足道的。
除了广义相对论的观点，量子力学和宇宙学的研究也对宇宙边界和时间的相对性提出了一些新的理论。
量子力学是描述微观世界中物质和能量交互作用的一种理论，而宇宙学是研究宇宙起源、演化和结构的学科。
量子力学和宇宙学的研究结果表明，宇宙可能是从量子波函数坍缩形成的，它并不存在一个确定的边界。
相对论和时空
相对论和时空相对论和时空是现代物理学中的重要概念。
它们对于我们理解宇宙的本质和运行方式起着关键性的作用。
本文将介绍相对论和时空的基本原理和相关应用。
一、相对论的基本原理相对论是由爱因斯坦在20世纪初提出的，它对于经典物理学的观念进行了革命性的改变。
相对论的核心原理有两个：相对性原理和光速不变原理。
1. 相对性原理相对性原理指出，物理定律在所有惯性参考系中都具有相同的形式。
换言之，物理现象的规律并不依赖于观察者所处的参考系的选择。
这意味着无论我们处于匀速直线运动还是静止状态，物理规律都保持不变。
2. 光速不变原理光速不变原理是相对论的另一个基本假设，它指出光在真空中的传播速度是恒定不变的，无论光源和观察者相对于彼此以何种速度运动。
这一原理挑战了经典物理学中的伽利略变换，为相对论的建立奠定了基础。
二、时空的结构相对论认为时空是一个统一的整体，被称为四维时空。
它的结构由三个空间维度和一个时间维度构成，可以用一个四维坐标系来描述。
1. 时空间隔时空间隔是相对论中的重要概念，它是两个事件之间的距离。
在相对论中，时空间隔不再是一个简单的线性距离，而是涉及到时间和空间之间的混合。
2. 弯曲时空根据相对论的理论，物体的质量和能量会引起时空的弯曲。
弯曲的时空会影响物体的运动轨迹和引力场的分布。
爱因斯坦的广义相对论进一步发展了这一概念，提出了引力是由于时空的弯曲而产生的。
三、相对论的应用相对论的应用涉及到多个领域，以下是其中的一些重要应用：1. GPS导航系统GPS是全球定位系统的缩写，它使用相对论的知识来纠正时间延迟误差。
由于卫星和地面观测站之间存在着相对运动，相对论修正是确保GPS精确定位的关键。
2. 横向收缩效应相对论预测了高速运动物体的横向收缩效应。
这意味着当物体以接近光速运动时，它在其运动方向上会变短。
这一效应已经在实验中得到了证实。
3. 黑洞和宇宙起源相对论对于黑洞的研究提供了重要的理论基础。
黑洞是一种由引力弯曲时空而产生的天体，其内部存在一个奇点，引力无限强大。
宇宙时空观和相对论简介
宇宙时空观和相对论简介（上）本文仅介绍相对论背景，影响，科普解释相对论，尽可能通俗易懂，让没有任何理工科背景的知友也会觉得么么哒！同时大概介绍一下，我们人类宇宙时空观是怎么一步一步艰难的走到今天高能预警本文较长，列个提纲，有助读者直接略过不感兴趣的部分，选读想要了解的内容，另外本文不适已经了解相对论，而且想进一步彻底理解相对论的知友阅读！全文中括号内容为弹幕体，略过不影响阅读提纲∙宇宙时空观的历史发展∙狭义相对论历史背景------电磁学的发展∙狭义相对论主要内容∙狭义相对论主要结论以及历史意义∙作者寄语1.相对论分为狭义相对论和广义相对论，分别由爱因斯坦在1905年和1916年发表参照历史事件：第一次世界大战1914年8月—1918年11月,所以说，在第一次世界大战中，我们必须要称赞德意志，它并没有严重阻碍本国科学家和国外科学家的学术交流，即使是和交战国的科学家交流，比较而言，纳粹德国在二战中的表现就太不尽人意相对论的概念是非常复杂抽象的，即使到了现代，能真能理解相对论的人几乎都在学术界，但是依然不影响它已深入人心，并且彻底的改变了我们人类的宇宙观时空观∙宇宙时空观的历史发展∙德谟克利特（前460年-前370年）绝对时空观，是原子的最先提出者，他认为世界是由原子构成的，原子在真空中相互碰撞结合形成我们今天的宇宙∙亚里士多德(前384～前322),绝对空间，相对时间（这是我们后来人总结的），并且他认为自然界不存在真空∙欧几里得（前364年-前283年）的几何第五公理，“直线外有且只有一点与已知直线平行” ，被认为是古希腊人时空观的数学体现，关于欧氏几何的五大定律还有很多有意思的事，我今后会在更新的希腊数学史中详细阐述∙近代时空观是由伽利略和牛顿创立，他们复活了德谟克利特的绝对时空观，并且给了数学定义，从此以后，宇宙就开始用数学来精确表达（定性分析过渡到定量分析），伽利略变换就是伽牛绝对时空观的数学表达：所有的力学定理在一切的惯性系普适（当时特指牛顿三大定律，万有引力）∙爱因斯坦提出现代宇宙时空观------相对论（后文详细说明，这里不赘述）∙实际上，自广义相对论发布以后，人类在天文学物理学方面就再也没有类似牛顿三大定律，相对论这样跨世纪的发现，目前仍然没有办法完全解释广义相对论和量子力学的矛盾（后面会介绍）$$$$狭义相对论历史背景------电磁学的发展狭义相对论虽然是宇宙时空观，它的产生背景却不是力学，而是电磁学在1600年的时候，英国科学家吉尔伯特就开始量化研究磁场，当然电磁学的标志性事件是1745年库伦发现库伦定律（哈哈，怎么读起来这么别扭！），伏特1800年发明电池，法拉第1831年发现电磁感应现象在1860年的时候。
宇宙边界和时间的相对性
宇宙边界和时间的相对性宇宙是人类无尽的探索领域，人类对宇宙的研究从古至今没有停歇过。
在这个过程中，我们不仅发现了宇宙的浩瀚无垠和神秘莫测，还发现了宇宙边界和时间的相对性。
首先，我们必须明确宇宙边界的概念。
传统上，人们认为宇宙是无限的，没有边界。
然而，随着科学的不断发展，我们开始怀疑这一观念。
根据广义相对论的结论，宇宙是一个弯曲的时空结构，被一种称为引力的力量所驱动，而且根据大爆炸理论，宇宙从一个非常热密的初始状态开始膨胀。
这样，我们就不得不面对一个问题：宇宙是否有边界？事实上，现代宇宙学理论认为，在物质和能量不允许存在的情况下，宇宙是有边界的。
这意味着如果我们远离地球和其他星系，越来越远，最终就会达到一个边缘，超出这个边缘就没有任何东西存在了。
然而，这并不意味着宇宙的边界是一个固定不变的。
根据当前的科学模型，宇宙的边界是在不断膨胀和变化的，并随着宇宙的演化而扩展。
因此，我们无法确定宇宙边界的具体位置和形状。
与宇宙边界相关的是时间的相对性。
在相对论中，时间和空间被统一为时空的概念，并且与引力场的强度和物体的速度有关。
根据相对论理论，当我们处于较强引力场中，时间会变得更慢，而当我们接近光速时，时间则会变得更快。
这就是著名的“双生子悖论”。
假设有一对双胞胎，一个在地球上，一个乘坐飞船以接近光速的速度飞行，当飞船返回地球时，地球上的双胞胎已经老去很多，而飞船上的双胞胎却感觉自己没有老去。
这一现象表明了时间的相对性。
时间并不是一个全局统一的概念，而是与观察者的参考系有关。
也就是说，不同的观察者可能会有不同的时间流逝。
这种相对性在宇宙中尤其明显，因为宇宙中存在着不同强度的引力场和不同速度的物体。
这意味着宇宙中的时间并不是一个绝对的概念，而是相对于特定的观察者或特定的引力场而言的。
总结而言，宇宙边界和时间的相对性是宇宙学研究中的两个重要概念。
宇宙边界是一个不断扩展和变化的边缘，而时间的相对性意味着时间并非全局统一的概念，而是相对于观察者或引力场而言的。
相对论的奥秘时间和空间的相对性
相对论的奥秘时间和空间的相对性相对论的奥秘：时间和空间的相对性相对论是现代物理学的重要理论之一，由爱因斯坦在20世纪初提出。
这一理论解释了时间和空间的相对性，引发了人们对宇宙本质的深思。
本文将介绍相对论的奥秘，探讨时间和空间在相对论中的相对性。
一、时间的相对性在经典物理学中，时间是绝对且普遍的，所有观察者的时钟都是一致的。
然而，在相对论中，时间是相对的，与观察者的运动状态有关。
根据相对论的理论，当一个物体接近光速时，时间会相对地变慢，这被称为时间膨胀效应。
时间膨胀效应最早由哈雷和费涅曼等科学家提出，并在后来的实验证实。
实验证实了时间的相对性，即不同观察者在不同速度下所测量到的时间并不相同。
这一现象使得时间变得相对起来，不再是一个普适的标准。
二、时空的相对性在经典物理学中，空间被认为是三维的且与物体无关。
然而，在相对论中，空间与时间一起被统一为四维时空。
根据相对论的观点，时空是可弯曲的，不同的引力场会导致时空的弯曲效应。
爱因斯坦的广义相对论提出了引力场与时空的关系。
根据他的理论，质量和能量会导致时空的弯曲，物体在弯曲的时空中运动会受到引力的作用。
这一理论得到了后来的实验证实，成为解释引力的重要理论。
三、光速不变原理相对论中的一个重要原理是光速不变原理。
无论观察者的运动状态如何，光速在真空中的数值都是不变的，约为每秒299,792,458米。
这意味着光在不同参考系中传播的速度是一样的。
光速不变原理引发了相对论中的矛盾和奇特现象。
当一个物体以接近光速的速度运动时，它的长度会相对地缩短，这被称为长度收缩效应。
同时，物体的质量也会增加，这被称为质量增加效应。
结论相对论的奥秘在于时间和空间的相对性。
在相对论中，时间是相对的，观察者的运动状态会影响时间的流逝速度。
空间也是相对的，引力场会导致时空的弯曲效应。
光速不变原理是相对论的基石，引发了长度收缩和质量增加效应。
相对论的提出颠覆了经典物理学的观念，揭示了宇宙本质的新面貌。
时间与空间的相对性与绝对性
时间与空间的相对性与绝对性时间与空间是我们生活中无法回避的两个概念，它们对我们的生活产生着极大的影响。
然而，我们是否意识到时间与空间的本质和存在方式是多样且变幻无常的呢？相对性是时间与空间的显著特征之一。
我们常常说时间相对于人的感受而言，而在物理学的范畴中，时间相对于参照物的运动状态而言。
爱因斯坦的相对论正是对时间与空间的相对性做出了深入探究。
根据相对论的理论，时间和空间是相互关联的，它们的性质取决于观察者的运动状态。
这种相对性的存在使得我们的时间和空间感知产生了微妙的变化。
以时间为例，我们常常主观地感到时间过得很快或很慢。
当我们在忙碌愉快的时刻，时间仿佛在瞬间飞逝；而当我们经历无聊或痛苦的时刻，时间似乎变得无比缓慢。
这种主观感受体现了时间的相对性，它受到我们的情感和状态的影响。
然而，物理学告诉我们，时间的流逝速度也受到物体的运动状态和引力场的影响。
在强烈的引力场中，时间流逝更为缓慢。
这意味着，当我们接近黑洞或者在强引力场的星际飞船上旅行时，我们的时间感受将与地球上的时间产生明显的差异，从而体现出时间的相对性。
类似地，空间的相对性也是不可忽视的。
我们所处的空间环境会对我们的感知产生巨大的影响。
在不同的空间环境中，我们的感知会发生变化。
举个例子，当我们在一个狭小的空间中，我们会感觉压抑和局促；而当我们在广阔无垠的大自然环境中，我们的心情会变得开朗和轻松。
这种感知上的变化体现了空间的相对性。
物理学也证实了空间的相对性，根据相对论的理论，物体的长度也会随着运动状态的改变而变化。
当物体以接近光速的速度运动时，它的长度会缩短，这被称为洛伦兹收缩。
然而，尽管时间与空间存在着明显的相对性，绝对性也是它们的重要特征之一。
时间与空间的存在不依赖于我们的感知和观测，它们具有独立的实在性。
无论我们是否意识到时间的流逝或空间的存在，它们仍然持续不断地存在着。
时间和空间是宇宙的基本构成元素，它们贯穿着我们的生活和整个宇宙。
相对论简介时间与空间
相对论简介时间与空间相对论是20世纪物理学的一项伟大成就，由阿尔伯特·爱因斯坦于1905年首次提出，随后在1915年进行了扩展，形成了狭义相对论和广义相对论。
相对论的核心思想打破了传统牛顿物理学中关于绝对时间和绝对空间的观念，引入了相对性原理。
这一理论不仅在物理学界引起了巨大的反响，而且在哲学、宇宙学、工程技术等领域产生了深远的影响。
本文将从相对论的基本概念出发，探讨时间与空间在相对论框架下的新理解。
狭义相对论狭义相对论于1905年正式提出，其核心内容可以归纳为以下几条重要原则：1. 相对性原理相对性原理指出，在所有惯性参考系中，物理规律是相同的。
这意味着，没有任何实验可以区分静止与均匀直线运动的参考系，也就是说，物理法则对于所有观察者都是普适的。
2. 光速不变原则另一个关键点是光速在真空中是一个恒定值，与源的运动状态无关。
无论观察者以怎样的速度运动，测得的光速总是约为299,792,458米每秒。
这一发现推翻了牛顿时代关于速度叠加的观点。
3. 时间与空间的统一狭义相对论的重要结论之一是，时间和空间并不是独立存在的，而是组成四维时空的一部分。
在高速运动下，一个体会到时间流逝速度的变化，这就是著名的“时间膨胀”现象。
4. 质能等价爱因斯坦提出了著名的质能等价关系E=mc²，这一公式表明质量和能量是等价的，因此，物质能量之间可以互相转换。
在狭义相对论成立后，我们对于自然界的基本认识发生了极大的变化，传统物理学中的许多定律都被重新审视和修正。
广义相对论十年后的1915年，爱因斯坦进一步完善了他的理论，提出了广义相对论。
这一理论不仅涵盖了狭义相对论所描述的情况，还引入了引力这一新的因素，深化了我们对于时空和物质之间关系的理解。
1. 引力场与时空曲率广义相对论提出，引力并不是一种传统意义上的力，而是由于大质量物体扭曲时空造成的效果。
质量越大的天体，其周围时空的曲率越大。
这一理论使得我们能够更加直观地理解天体之间的互相作用。
相对论知识：时空之舞——相对论的物理学
相对论知识：时空之舞——相对论的物理学相对论是现代物理学中最伟大的一部分，相对论理论奠定了整个物理学的基础。
相对论的物理学是一个关于时空的理论，它提供了一个用于解释物理学的时间和空间的框架。
这个理论的基础是相对性原理：在相对惯性参考系之间的物理现象是相同的。
这一原理提供了一个相对于其他参考系来观测物理现象的框架，而不是绝对的参考系。
相对论理论有两个分支，即狭义相对论和广义相对论。
狭义相对论是由爱因斯坦于1905年提出的，它是关于时空的一种新解释，这种解释是由对光速的限制引入的。
狭义相对论对于那些以相对于最初的参考系移动的观察者为基础的物理量提供了新的计算方式。
它对于太空飞行、GPS定位系统等具有重要意义。
狭义相对论揭示了光速的极限，并且证明了物理学的一个基本定理：光速是不变的。
广义相对论是由爱因斯坦于1915年提出的。
相对论的物理学是基于曲率空间的理论，它对重力的描述是基于引力场的局域形式。
由于它的多层次结构，广义相对论在太阳系的尺度和在宇宙中的尺度上具有非常不同的影响。
例如，在太阳系中，广义相对论预测出一些异常的行星轨道，而在更大的尺度上，广义相对论解释了黑洞时空的形成以及宇宙的演化。
在相对论的物理学中，最重要的概念之一是时空。
时间和空间是很多观测者公认的，但是弗朗西斯·斯科特·凯利和亨德里克·安托万·洛伦兹在19世纪末期进行了一系列实验，证明了时空是相对的。
在相对论的物理学中，时间和空间具有“流动性”，观测者的时间和空间不同于其他观测者。
然而，不同观测者之间的变换是按照规则进行的，这些规则是爱因斯坦狭义相对论和广义相对论中的重要概念。
时空的理解和操作已经得到了极大改变，并且提供了一个新的框架来解释物理学现象。
它不仅影响了物理学，而且影响了哲学和认知科学领域。
时空的概念相对论提出了一种新的哲学问题：“时间和空间到底是什么？”而这个问题是有深刻影响的，因为它关系到了我们对于世界的理解。
时间的相对论
时间的相对论
时间作为我们日常生活中不可或缺的一部分，是人类社会运转的基本单位。
然而，在物理学领域，时间却展现出了更为复杂和深奥的一面。
相对论是研究物质运动相对速度的理论，其中时间的相对性是一个重要而又耐人寻味的课题。
相对论最早由爱因斯坦在20世纪初提出，他揭示了时间和空间的相对性，即时间并非绝对的，而是由观察者的参照系而定。
这就意味着，在不同的参照系中，时间的流逝速度可以有所不同。
这一结论颠覆了牛顿时代关于时间的观念，揭示出时间并非一个普适的、全局统一的概念。
在相对论的框架下，时空是统一的，被统称为时空。
质点在时空中的运动状态由其在时空中的轨迹来描述。
在相对论中，光速被认为是宇宙中不变的极限速度，并且当物体的速度逼近光速时，时间会相对减缓，长度也会相对收缩，这就是著名的“时间膨胀”和“长度收缩”效应。
由于时间的相对性，所以人们能够看到一些离奇的现象。
比如，当一个人以接近光速的速度飞行，回到地面时，他会发现自己的时间流逝较慢，与地面上的时间流逝速度不同步。
这就是著名的双生子悖论，即一个双胞胎在地球上，一个双胞胎乘坐飞船飞行后返回地球，发现自己的双胞胎兄弟已经变老了，而自己却依然年轻。
时间的相对性给人们带来了认知上的挑战，也使得物理学家对时空结构有了更深入的思考。
在宇宙学领域，时间的相对性也对我们理解宇宙的演化起到了关键作用，帮助我们探寻宇宙的奥秘。
总的来说，时间的相对论是一个令人着迷的物理学理论，它揭示了时间与空间的密切联系，引领着人类对世界本质的不断探索。
在这个理论的指引下，我们或许能更好地理解这个多变而又神秘的宇宙。
相对论时间与空间的相互关系
相对论时间与空间的相互关系相对论是由爱因斯坦提出的一种物理学理论，它深刻地改变了人们对时间和空间的理解。
在相对论中，时间和空间不再是绝对的，而是相对的。
本文将探讨相对论时间与空间之间的相互关系。
1. 相对论的基本原理相对论的基本原理是：物理定律在不同参考系中具有相同的形式。
也就是说，无论在哪个参考系中观测，物理定律都是一样的。
这意味着时间和空间不再是绝对的，而是与观测者的参考系相关。
2. 时间的相对性在相对论中，时间的流逝是相对的。
观察不同参考系中的时钟，会发现它们的时间流逝速度是不一样的。
当一个物体以接近光速运动时，其时间似乎减慢下来，而相对静止的物体则经历正常的时间流逝。
这就是所谓的时间膨胀效应。
3. 空间的相对性与时间类似，空间也具有相对性。
当一个物体以接近光速运动时，它的长度在运动方向上会缩短，这被称为长度收缩效应。
这意味着在不同的参考系中，同一个物体的长度会有所不同。
4. 时间与空间的结合在相对论中，时间和空间是紧密结合在一起的，构成了四维时空的统一。
相对论将时间和空间统一为时空，使得物体的运动不再仅仅是在三维空间中发生，而是同时涉及到时间的流逝。
5. 弯曲时空根据相对论的理论，物体的质量和能量会弯曲周围的时空。
这就是著名的引力效应。
大质量物体会在其周围形成一个弯曲的时空，轨迹经过这个时空区域的物体会受到引力作用。
这解释了为什么行星围绕太阳旋转，以及为什么光线会在重力场中偏折。
6. 时间与空间的相互影响在相对论中，时间和空间是相互影响的。
运动速度越快，时间的流逝越慢，空间的长度越短。
这种相互影响在高速运动的粒子加速器中得到了验证。
而我们在日常生活中无法直接感受到这种影响，是因为地球上的运动速度相对较慢。
总结：相对论给我们带来了对时间和空间的全新理解。
时间和空间的相对性使得我们对宇宙的观测和解释更加准确和全面。
相对论将时间和空间紧密结合在一起，构成了时空的统一。
同时，相对论也揭示了时间与空间的相互关系，运动速度的变化会引起时间的流逝速度和空间长度的变化。
相对论时空与相对论的基本原理
相对论时空与相对论的基本原理相对论是由爱因斯坦于20世纪初提出的一种物理学理论，它对于我们理解宇宙的本质以及时间与空间的关系起到了重要的作用。
本文将简要介绍相对论时空的概念以及相对论的基本原理。
一、相对论时空的概念相对论时空是指爱因斯坦通过研究光的传播速度不变性而提出来的一种新的时空观念。
在经典力学中，时间和空间是绝对而独立的，而在相对论中，时间和空间被统一成为一个整体，即时空。
相对论时空具有以下几个重要特性：1. 相对性原理：相对论时空具有相对性原理，即物理定律在所有惯性参考系中都成立。
这意味着不论在任何匀速运动的观察者眼中，物理定律都应当保持一致。
2. 光速不变性：根据相对论时空观念，光在真空中的传播速度是恒定不变的，即和光源的相对运动状态无关。
这一观念在狭义相对论中被证实，并成为相对论最核心的概念之一。
3. 弯曲时空：大质量物体的存在会弯曲周围的时空，形成引力场。
这个概念被广泛运用在广义相对论中，解释了宏观尺度上的引力现象。
二、狭义相对论的基本原理在狭义相对论中，有两个基本原理决定了相对论的物理规律：1. 相对性原理：物理定律在所有惯性参考系中都成立。
这意味着不论在任何匀速运动的观察者眼中，物理定律都应当保持一致。
2. 光速不变性原理：光在真空中的传播速度是恒定不变的，即和光源的相对运动状态无关。
基于这两个基本原理，狭义相对论推导出了一系列重要结论，包括：1. 相对论性动力学：引入了洛伦兹变换，描述了物体在不同惯性参考系中的运动行为。
相对论性动力学中，质量随速度增加而增加，时间与空间也发生了变换。
2. 时空的膨胀：由于速度相对论恒定，时间对于不同惯性参考系而言并不是绝对一致的，存在着时间的膨胀现象。
被称为“钟慢效应”。
3. 质能等价原理：根据爱因斯坦的质能等价原理，质量和能量是可以相互转化的，质量与能量之间存在着著名的E=mc²的关系。
三、广义相对论的基本原理广义相对论进一步扩展了狭义相对论的基本原理，主要引入了引力概念和曲率时空观念。
《相对论、宇宙与时空》连载(14)——时间的性质(下)
觉 ” 也很 难 说清楚 ， ， 似乎 只能 意 会 ， 能言 传 ． 不
哲 学家 的聪 明才 智虽 然 给 了科学 工作 者很 多 启 示， 但上 述 把 时 间 归 入 “ 神 世 界 ” 把 时 间度 量 归 精 ，
他对“ 约定 ” 的传 播 性 质 的观 点 ： 光 具 有 不 变 的 光 “
速 度 ， 其是 ， 速 在 所 有 方 向都是 相 同 的． 是 一 尤 光 这
９ 异 地 时 钟 的校 准— — “ 时 ” 定 义 同 的
“ 异地 时钟 的校准 ” 相 继 时间段 （ 延 ） 和“ 绵 的测
章 ． 来这 次 与 贝索 的谈 话 使 爱 因 斯 坦 回忆 起 了 庞 看
加 莱关 于 时 间与光 速 关 系 的论 点 ， 给 了 他 重要 的 这 启示 ， 解决 了卡住 的 问题 ． 几周 后 爱 因斯坦 关 于相 对
论 的第 一 篇 论 文 《 运 动 物 体 的 电 动力 学 》 投 给 论 就
空 间不 同 ， 时问应 该 属 于精神 世界 ． 的哲 学 家干 脆 有
了几 乎一 年 ， 然而 毫 无 结 果． 觉 得 “ 真 是 个 难 解 他 这
之 谜 ” 爱 因斯 坦在 京都 演 讲 中 回忆 道 ： 这 时 ， 尔 ． “ 伯 尼 的一 个朋 友 （ 贝索 ） 意外 地 帮助 了我． 是 一 个 明 那 媚 的 日子 ， 去 访 问 他 ， 他 进 行 了 如 下 的 谈 话 ： 我 与
月 与朋 友 贝索 的一 次讨 论 ， 当时 爱 因斯 坦 正 被 一 个
问题 卡住． 个 问题就 是 “ 速 不 变 性 ” 乎 与 力 学 这 光 似
_相对论_宇宙与时空_连载_深入浩瀚的星空_下_
第28卷第10期大 学 物 理Vol .28No .102009年10月COLLEGE PHYSI CS Oct .2009《相对论、宇宙与时空》连载 《相对论、宇宙与时空》连载⑩———深入浩瀚的星空(下)赵 峥(北京师范大学物理系,北京 100875)4.银河系当伽利略把望远镜指向银河的时候,发现夜空中那像薄雾般淡淡的带子,原来是密密麻麻数不清的星星.人们逐渐认识到这是一个巨大的旋转的盘状星系,由大约2000亿颗恒星组成,我们的太阳系是这个巨大星系的一部分,位于它的转盘的边缘[1210](图16,图17).图16 银河系(侧视图)图17 银河系(俯视图)这个巨大的星系称为银河系,直径约105l .y .太阳系距银河系中心约3×104l .y .,它以250k m /s 的速度围绕银河系的中心旋转,转一周需要2.5亿年.银河系的2000亿颗恒星,分别组成自己的太阳系,它们都可能有自己的行星和卫星.不过,像我们这样只有1个恒星的太阳系,在银河系中并不多见.大多数都是由2个恒星组成的双星系,或2个以上恒星组成的聚星系.各个太阳系之间,至少相距几个光年.例如,离我们最近的恒星———比邻星,属中国人所说的南门二,希腊人称半人马座α,这是3颗相互围绕旋转的三合星,它们离我们大约4l .y .,它们还可能与我们的太阳是一个整体,围绕共同的重心在旋转.如果是这样,我们的太阳系就是这个聚星系的一部分.行星和卫星小而不发光,因此,寻找其他太阳系的行星是一件十分困难的工作.但是,最近已经有报道,发现了其他太阳系中的行星.我们极感兴趣的是,这些行星上是否存在生命,特别是有没有类似于人类的智慧生物.不过从目前的认识水平看来,如果生命只能由蛋白质构成,那么生命产生和存在的条件是极为苛刻的,因而出现高级智慧生物的概率更小.例如,有2个以上太阳的太阳系,行星穿行于若干个太阳之间,离它们忽远忽近,行星表面的温度变化会很剧烈,生命,特别是高级的智慧生物,将很难在这类星球上生存.但是,硕大的银河,有几百亿个太阳系,各种自然条件应有尽有,肯定会有许多适合生命存在的行星和卫星,肯定会有高级的地外生命存在,也几乎可以肯定有比我们更为发达的地外文明存在.此外,认为生命只能由蛋白质构成,只能以地球上生命的形式存在,说不定是人类幼稚无知的一种表现.现代的自然科学从哥白尼提出日心说算起只不过存在了500年,人类文明有文字的历史也不过存在了6000年,相对于星系和恒星演化的年龄来说,的确是太短暂了,我们所了解、所掌握的东西还是太少了.仔细研究表明,银河系中物质的分布是不均匀的.它的主要部分集中在中心凸、四周薄的一个铁饼状物上.中心凸起的椭球称为核球;周围扁平的转盘,称为银盘,恒星基本聚集在银盘和核球上.银盘直径约10×104l .y .,盘的靠近核球的部分厚约6第10期 赵峥:《相对论、宇宙与时空》连载⑩63 000l .y .,边缘比较薄.核球长约1.5×104l .y .,厚约104l .y .,由大量密集的恒星组成.核球的中心有一个更为致密的部分,称为银核或银心,在直径1l .y .的范围内聚集着相当于400万个太阳的质量.银心发射出很强的无线电波、红外线、X 射线和γ射线,辐射出惊人的能量.银心究竟由什么物质构成目前还不清楚.有人推测,那里可能存在有巨大的黑洞.银河系聚集了2000亿颗恒星,这些恒星主要集中在银盘上.这些恒星还形成双星、聚星和星团,它们除围绕银心旋转外,还围绕各自的重心转动.支配它们运动的是爱因斯坦的广义相对论.但是,在银河系这个层次上,除去黑洞等特殊情况之外,万有引力定律已经足够精确,广义相对论效应仍显得十分微弱,可以忽略不计.5 河外星系,红移与哈勃定律望远镜不仅使人类看清了银河系的本来面目,而且发现我们的银河系在宇宙中不是孤立的.类似于银河系的星系,在宇宙中大量存在.我们称这些星系为河外星系,意思是银河系之外的星系[125,7213].离我们最近的河外星系是大、小麦哲伦云(图18),分别离我们1.6×105l .y .和1.9×105l .y .,它们之间相距5×104l .y ..一般说来,星系的直径在105l .y .的数量级上.图18 大小麦哲伦云星系和星系还结合成团,在万有引力作用下,围绕共同的重心旋转.星系团中的星系一般在100个以上,有的可达上千个.不足100个星系的星系团称为星系群.我们的银河系就和大、小麦哲伦云、仙女星系(即仙女座大星云,直径1.6×105l .y .,距我们2.2×106l .y .,图19)等30多个河外星系一道,组成一个星系群,称本星系群.这个群中的星系相互间离得较远,是一个疏散星系群,半径约3×106l .y ..通常,星系团的半径在8×106l .y .左右(图20).观测表明,我们的本星系群还同其他50多个星系群(团)一起,构成一个超星系团,称为本超星系图19 仙女座星系图20 星系团与星系群团,半径在108l .y .左右.在大于108l .y .的尺度上,物质不再呈现成团结构,也就是说,超星系团不再组成更大的团,而是在宇宙中均匀各向同性地分布着[123,629,13215].天文观测表明,其他星系团中的星系发出的光,都有红移现象,即与地球上同种元素的同一根光谱线相比,从遥远星系传来的光的谱线频率变小,波长变长,向光谱的红端移动.这一现象称为宇宙学红移.长期以来,大家认为这是多普勒效应造成的,它表明远处的星系都在远离我们.在地球上的光学实验中,我们已经观测到了多普勒效应,相对论精确地算出了这一效应.当观测者与光源相互远离时,发生红移ν=ν01-v /c1+v /c (2)当观测者与光源相互接近时,发生紫移ν=ν01+v /c 1-v /c(3)式中ν0是光源相对观测者静止时,测得的光谱线的正常频率;ν是光源与观测者相对运动时测得的频64 大 学 物 理 第28卷率.c为光速,v为光源相对观测者的运动速度.1929年,美国天文学家哈勃(E.P.Hubble)总结当时的观测数据,得出一条经验规律:河外星系(指其他超星系团中的河外星系)的红移正比于它们离我们银河系中心的距离[123,629,13215],即Z=1cHD(4)红移量Z定义为 Z=λ-λ/λ0(5)其中λ为没有红移时的谱线波长,λ为发生红移后的波长;D为河外星系离我们银河系中心的距离,常数H称为哈勃常数.由于多普勒红移的红移量与光源退行速度v成正比,哈勃定律又可表为v=HD(6) v为河外星系退行速度.6 类星体宇宙中除去恒星和星系等发射可见光的天体之外,还存在一些发射无线电波、微波、X射线和γ射线的辐射源.后来发现,一些发射无线电波的“射电源”有光学对应体.也就是说,这类源既发可见光,又发不可见的无线电波,以及其他波段的电磁辐射.例如编号3C48和3C273的射电源,其光学对应体很像一颗恒星,在望远镜中看是一个点.奇怪的是,没有人能够认得出它们的光谱究竟属于哪一种元素.1963年,荷兰天文学家施米特(M.Schm idt)突然识别出它们是氢光谱,只不过谱线发生了很大的红移,因此很难认出来.3C273的红移量Z=0.158, 3C48的红移量更大,Z=0.367.这类具有极大红移量、光学对应体很像恒星的射电源,被命名为类星体[123,729,12].目前,人类只知道两种红移机制.一种是光源移动造成的多普勒红移.另一种是引力红移,例如大质量恒星表面附近,由于时空弯曲造成的红移.如果类星体的红移是多普勒红移,巨大的红移量表明它们在高速逃离我们,用公式Z=c+vc-v-1(7)不难算出,Z=0.3的类星体,正在以v=0.26c≈7.5×104km/s的速度逃离我们,简直是惊人的.如果哈勃定律对类星体适用,它们应该离我们非常遥远,Z=0.3的类星体,不难从哈勃定律v= HD算出,大约离我们D=2.5×109l.y..近年来,发现的类星体越来越多,其中有的红移量超过Z=6.不难算出,Z=3.5的类星体,其逃离我们的速度已达到v=0.9c≈2.7×105km/s,距离我们D≈1010l.y.令人极其不解的是,光的强度和距离的平方成反比,如果类星体离我们那么远,我们怎么能够看见它呢?只有一种可能,类星体发的光非常强.我们目前能够看到它,但不很亮,是因为它离我们太远的缘故.有人计算过,如果把一个类星体移到织女星的位置(距我们25l.y.),那么它将比太阳还亮100倍.这是多么惊人的情景.要知道,光从太阳到地球只需8m in,从织女星到地球则要25年.在那么远的地方,还那么亮,这需要非常强的发光机制才能实现,目前已知的各种能源机制,都不能解释类星体的强大能源.有些人认为类星体的红移可能不是多普勒红移,或不完全是多普勒红移,试图这样来解决类星体距离和亮度产生的矛盾.但是,用引力红移来解释类星体的红移,也碰到了一些困难.进一步的研究表明,类星体的红移量一般在1～3之间,似乎最大不超过8,Z=3～4之间的也不多.另一方面,也不存在红移量很小的类星体.这表明,类星体按离我们的远近有一个分布,主要分布在几亿～几十亿光年的距离上,108l.y.以内的近处也没有.由于光传播需要时间,我们所看到的距离我们108l.y.的物体,是它们108年前的像.这就表明,类星体似乎有一个产生,增多,然后减少直到消失的演化过程.似乎最早的类星体诞生于大约100亿年前,然后逐渐增多,亮度逐渐增大,到一定数目后又逐渐减少,时至今日已不复存在.人们还发现,类星体不是一个光点,周围还有模糊的云状物,甚至还有喷射物质.类星体中心的光度呈周期性变化.这些特征,与人们已观察到的“活动星系”有某种类似性.7 活动星系核与喷流星系核有活动现象的星系,最早是由美国天文学家塞佛特在1943年发现的.通常的星系,核心部分都聚集着大量恒星和物质,都比较亮.活动星系的核比较小,但特别亮,而且亮度不断变化.直径几万光年的星系,核的亮度在几个月内就会发生巨大变化.它们往往向外大量喷射气体和物质(图21).活动星系在光谱上也有不同于一般星系的特征,例如含有较宽的发射线,辐射以非热辐射为主等等[123,8,9,12].第10期 赵峥:《相对论、宇宙与时空》连载⑩65图21 星系喷流活动星系约占全部星系的1%.研究表明,类星体与活动星系核在许多方面相似,例如都有比较小的核,核有高亮度和剧烈光变,有的还伴有喷流现象,它们的光谱特征也较为相近.因此,可以把类星体看作激烈变化的活动星系.类星体现象,很可能就是存在于遥远区域的活动星系核的猛烈变化现象.另一方面,普通星系也有一些类似活动星系的地方.例如,普通星系的核心部分也有喷射物质的现象.我们的银河系在1000万年前就发生过从银心向外喷射大量气体的激烈活动.银河系附近的星系,都是正常星系.活动星系存在于较远的地方.类星体则处在更远的位置.它们之间很可能存在演化上的联系.一个可能的图像是,宇宙诞生的初期,开始产生类星体,然后存在一个类星体繁荣的时期,不仅数量多,而且能量大、活动剧烈.后来,类星体逐渐演化成活动星系,星系的核心部分的活动从剧烈慢慢变为平稳,最后形成普通的较为稳定的星系,我们的银河系就是其中之一.宇宙中的喷流也是特别有趣的现象,既有恒星级的喷流也有星系级的喷流.银河系中的SS433是一个双星系统,其中一颗是致密星(中子星或黑洞),致密星有一个气体吸积盘,从盘的两侧反向射出两股气体喷流.由于盘面与双星轨道面不重合,两股喷流绕着垂直于轨道的轴发生进动,周期为164d.我们可以看到喷流面向我们和背向我们时,光谱线紫移和红移的交替.离我们1.6×107l.y.的半人马座A是距离我们最近的射电星系,两股壮观的气体喷流从星系中心向两侧喷出,延伸到106l.y.之外,喷流的终点是两块称为“瓣”的云,那里发出同步射电辐射.注入瓣中的能量相当于几百万颗超新星爆发,可见半人马座A的核心质量应在107m⊙以上.对于喷流的机制,目前还没有定论.类星体、活动星系核、宇宙喷流、超新星爆发等巨大的能源机制,都可能与弯曲时空中的黑洞活动有关.许多科学家认为,不仅类星体和活动星系核的中心存在大质量黑洞,而且我们的银河系及其他河外星系的中心,也可能存在大质量的黑洞.这类星系级的黑洞,质量大概在108个太阳质量以上.参考文献:[1] 胡中为,萧耐园,朱慈墭.天文学教程[M].2版.北京:高等教育出版社,2003.[2] 温学诗,吴鑫基.观天巨眼———天文望远镜的400年[M].北京:商务印书馆,2008.[3] 刘学富.基础天文学[M].北京:高等教育出版社,2004.[4] 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时间简史探索宇宙奥秘的科学之旅
时间简史探索宇宙奥秘的科学之旅尊敬的读者：欢迎踏上这场探索宇宙奥秘的科学之旅。
本文将带领您进入时间简史的世界，探寻宇宙的起源与发展，以及人类对于时间、空间和物质本质的认识。
一、时空交错的命题现代物理学中最基本的理论之一就是相对论。
爱因斯坦对于时间和空间有着与众不同的看法，他提出了狭义相对论和广义相对论，给出了一种重新理解时间和空间的方式。
通过这两个理论，我们可以更好地理解宇宙的奥秘。
1. 相对论的诞生与发展1905年，爱因斯坦发表了狭义相对论的论文，其中最重要的就是对于光速不变性的研究。
他认为，光速对于任何观察者都是恒定不变的，无论观察者的运动状态如何。
这一认识打破了牛顿的力学观念，为后来建立广义相对论奠定了基础。
2. 狭义相对论对时间的理解根据狭义相对论的观点，时间与空间是相互联系的，构成了四维时空的统一。
在高速运动的物体中，时间会发生变化，即时间的流逝速度会减慢。
这一概念被称为时间的相对性，揭示了时间这一基本要素的复杂性。
3. 广义相对论与引力场理论广义相对论对引力场进行了全新的解释。
爱因斯坦认为，物质和能量会使时空发生弯曲，形成引力场。
这样，物体在引力场中运动时，会沿着时空的弯曲轨迹运行。
广义相对论成功地解释了水星近日点进动和光线的弯曲，证实了其优秀的理论预言。
二、宇宙的起源与演化宇宙的起源一直是人类关注的焦点。
科学家们通过观测、实验和理论推导，提出了一些关于宇宙起源的假设和模型，其中最著名的就是大爆炸理论。
1. 大爆炸的提出20世纪初期，根据爱因斯坦的广义相对论，贝尔纳·勃朗宁和亚历山大·弗里德曼分别提出了宇宙在膨胀和收缩状态之间不断循环的理论模型。
然而，这些模型都具有稳定性问题。
而真正有突破性意义的是1927年，贝尔纳德·鲁梅特和乔治·勒梅特尔提出了宇宙的膨胀模型，也就是大爆炸理论。
2. 大爆炸的证据随着科技的进步，科学家们通过宇宙微波背景辐射、宇宙元素丰度、星系的红移等观测数据，找到了大量证据支持了大爆炸理论。
宇宙边界和时间的相对性(DOC 28页)
宇宙边界和时间的相对性(DOC 28页)知道，光线从太阳运行到地球大概需要8分钟，站在地球上的人看到此时的太阳光其实是太阳8分钟前发出的，人们可以认为太阳距地球的距离为8分钟。
假设观察者站在地球上，地球上的时间是现在时刻，可以认定为0分钟时刻，此时太阳是地球过去的8分钟，可以认定为-8分钟时刻，它们的差是8分钟。
若观察者站在太阳上，情况正好相反，太阳上的时间是现在时刻，可以认定为0分钟时刻，此时地球是太阳过去的8分钟，可以认定为-8分钟时刻，它们的差也是8分钟。
宇宙中的时空点是有时间性质的，它们是时间性和空间性完美的结合。
宇宙中时空点的时间性质是相对的。
上述太阳和地球距离的例子中，观察者站在地球上，地球处的时间性质就是0分钟时刻，太阳处的时间性质就是-8分钟时刻；若观察者站在太阳上，则太阳处的时间性质变为0分钟时刻，而地球处的时间性质变为-8分钟时刻。
这不影响它们间的距离。
在上述太阳和地球距离的例子中，观察者看到的所有景象都是过去时刻发生的，他所看到的所有其它物体距他的眼睛都存在距离，哪怕距离再小，光线的传输也需要时间，所以他看到的都是过去的事情。
他眼睛处那一点的时间性质为零，它之外所有时空点的时间性质都是负值，都是过去。
距离我们越远发来的光线，事件过去的时间越久远。
可以这么说，观察者的“视觉宇宙”其实是过去不同时间发生的事件，其影像在现在这一时刻传到我们眼睛处的组合，我们被过去事件所包围。
“视觉宇宙”是由看到的过去事件的影像组成的（见图2）。
图2：观察者被过去事件层层包围我们看到的五彩缤纷的世界其实都是过去发生的，甚至你看到你自己的双手也都是过去的。
由于光线传输的速度很快，我们看到的世界离我们又如此近，以至于我们感觉一切都在同时发生。
正是这一点使我们认识宇宙过程中总是把时间和空间分开看待。
认为时间是沿一个维度从过去向将来运行，而空间中的万物变化与时间毫不相干。
事实上，抛开了时间因素，把时间看成静止的一刻，我们就会产生很多错觉，最终影响我们对宇宙问题的深入了解。
相对论物理学大学物理中的时空和相对论效应
相对论物理学大学物理中的时空和相对论效应相对论物理学是现代物理学的基石之一，主要研究时空的性质以及运动物体的相对性。
相对论物理学的发展不仅深刻影响了物理学的发展，也对我们对宇宙和自然界的认识产生了巨大的影响。
在大学物理课程中，我们不可避免地接触到时空和相对论效应的概念。
本文将对大学物理中的时空和相对论效应进行探讨。
一、时空的相对性在经典物理学的观念中，时间和空间是独立且绝对的。
然而，相对论物理学揭示了时间和空间的相对性。
相对论中的洛伦兹变换告诉我们，在不同的参考系中，时间的流逝速度和空间的形状都会发生变化。
这一概念颠覆了我们对时间和空间的认知，揭示出它们的相对性。
二、时间的相对性根据相对论，时间是相对的，不同的观察者会感受到不同的时间流逝速度。
这一效应被称为时间膨胀。
著名的孪生子佯谬实验证明了这一现象。
当一个孪生子乘坐太空船以接近光速的速度旅行一段时间后返回地球，与地球上的孪生子相比，他的时间流逝速度较慢，因此他看起来年轻了许多。
这个实验揭示了时间的相对性和时间膨胀的概念。
三、空间的相对性相对论还揭示了空间的相对性。
根据相对论，物体在高速运动中的长度会发生变化，这被称为长度收缩效应。
例如，一个以接近光速运动的飞船在观察者看来会更短小。
此外，相对论还提出了相对论速度叠加的原理，即两个运动物体的速度不是直接相加，而是根据特殊的相对论公式来计算。
这些概念对于我们理解空间的相对性非常重要。
四、相对论的其他效应除了时间膨胀和长度收缩外，相对论还引入了很多其他的效应。
其中一个是质能关系，即质量和能量之间的等价关系，由著名的质能方程E=mc²表达。
同时，相对论还引入了光速不变原理，即光速在所有参考系中都保持不变。
这些效应都彰显了相对论在揭示自然规律方面的重要性。
五、应用和实验验证相对论的概念和效应不仅仅停留在理论层面，它们在现实世界中也得到了广泛应用和实验验证。
例如，全球定位系统（GPS）的功能就依赖于相对论的关键原理。
相对论与时空理论
相对论与时空理论相对论与时空理论是现代物理学中的两个重要概念。
它们的提出和发展不仅深刻地改变了我们对宇宙的认识，还推动了科学技术的发展。
本文将分别介绍相对论和时空理论的基本概念、背景以及其对科学和人类社会带来的影响。
相对论是由阿尔伯特·爱因斯坦在20世纪初提出的，主要有狭义相对论和广义相对论两个分支。
狭义相对论是一种描述高速运动物体的物理学理论，它在描述光速不变、时间和空间相对性的基础上，建立了相对论的基本框架。
广义相对论在狭义相对论的基础上，引入引力场的概念，提出了曲率时空的理论。
这一理论完整地描述了引力的本质，并成功解释了以前无法解释的现象，如黑洞、宇宙的膨胀以及引力波的存在。
时空理论是建立在相对论基础之上的一种关于时空结构的理论。
根据相对论的观点，时空不再是一个静态、绝对的概念，而是具有弹性、弯曲的特性。
时空曲率是由物质和能量分布引起的，而物体的运动又会受到时空的弯曲影响。
这种弯曲效应在大质量物体附近会更加明显，可以解释为什么行星围绕太阳运动，为了描述这种弯曲，在时空理论中提出了引力场概念。
时空理论不仅深刻地影响了天体物理学和宇宙学的发展，还对量子力学和高能物理学等领域产生了重要影响。
相对论和时空理论的提出对科学和人类社会带来了深远的影响。
首先，它们推动了科学技术的发展。
相对论理论的建立奠定了现代物理学的基础，对现代科学理论的发展做出了重要贡献。
同时，狭义相对论的特殊相对论在实际应用中也起到了重要作用，如GPS导航系统的设计和运行就需要考虑时间的相对性。
时空理论的提出也为黑洞物理学、宇宙学的研究提供了重要的理论框架，推动了相关科学研究的发展。
其次，相对论和时空理论改变了我们对宇宙的认识。
它们提出了关于时空结构和宇宙起源的全新观点，使我们对宇宙的起源、演化和结构有了更深刻的理解。
广义相对论的引力理论不仅解释了黑洞的存在和特性，也为宇宙大爆炸理论提供了基础，阐明了宇宙起源的过程。
这些理论不仅拓宽了人类对宇宙的认知边界，也激励着科学家们继续深入研究宇宙的奥秘。
相对论的时空观
相对论的时空观相对论是现代物理学中最重要的理论之一，它提出了一种全新的时空观。
相对论的时空观与牛顿经典物理学中的时空观存在明显差异，引发了对时间和空间本质的深入思考。
本文将详细探讨相对论的时空观。
首先，相对论认为时间和空间是相互关联且不可分割的。
牛顿经典物理学中，时间和空间是分离的独立维度，而在相对论中，它们被统一成为时空。
时空构成了我们所处的宇宙，它具有弯曲、伸缩和相对性等特性。
相对论主张，时空不再是一个静态的背景，而是与物质和能量紧密联系的动态载体。
其次，相对论提出了时空的弯曲概念。
爱因斯坦在广义相对论中指出，质量和能量会弯曲时空。
这种弯曲效应使物体在弯曲时空中行进时，呈现出与牛顿力学中不同的运动轨迹。
弯曲时空的概念在解释引力现象上具有重要意义。
牛顿力学中，引力被视为两个物体之间的相互作用力，而相对论将引力解释为时空的弯曲效应。
另外，相对论还引入了时空的伸缩观念。
根据相对论，当物体的速度接近光速时，时间会相对慢下来，而长度会相对缩短。
这一现象被称为时间膨胀和长度收缩。
时间膨胀意味着，快速运动的物体相对于静止的观察者经历的时间较长。
长度收缩意味着，快速运动的物体在运动方向上的长度会比静止物体的长度更短。
这些伸缩效应揭示出了物体运动速度对时空观的影响。
最后，相对论还提出了时空的相对性原理。
根据相对性原理，物理定律在所有惯性参考系中都要成立，无论参考系之间的相对速度如何。
这意味着物理现象的规律不会因为观察者的运动状态而发生变化。
相对论的相对性原理颠覆了牛顿时空观中的绝对时间和空间概念，强调了观察者的相对性和观察参考系的重要性。
综上所述，相对论的时空观是一种全新的物理学观念，它引领了现代物理学的发展方向。
相对论认为时空是统一的、弯曲的，时间和空间不再是独立的，而是相互关联的。
相对论还探讨了时空的伸缩效应和相对性原理，深化了我们对时间和空间本质的认识。
相对论的时空观对于解释引力、物体运动以及物理现象的规律具有重要意义，它在现代物理学领域扮演着重要角色。
《相对论、宇宙与时空》连载—时间的性质(上)
德也对 “ 间” 表 了不 同 的见 解 ． 认 为 “ 间 是 时 发 他 时 运 动 的计数 ” 是 “ 动和运 动 持续 量 的量度 ” 时 间 ， 运 ．
概念 的出现 ， 运动 的测量 成为 可能 ， 我们可 以 区 使 使
分快 、 慢和静 止． 过 ， 历 士 多德 也认 为 时 间是 循 不 亚 环的， 周而复 始 的．
古 印 度 同 样 是 循 环 的时 间观 点 占 主 导 地 位 ， 一 这
观点也体现在佛教 的教义 ห้องสมุดไป่ตู้ ， 中国有一定的影响．， 对
然 而 ， 响 中 国 古 代 哲 学 思 想 的 不 仅 有 释 家 影
第２ ９卷 第 ｌ 期
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大
学
物
理
ＣＯＬＬＥＧＥ ＰＨＹＳ ＣＳ Ｉ
Ｖｏ ． ９ Ｎｏ １２ ．１ Ｊｎ２ Ｏ ａ ． Ｏ１
《 相对论 、 宇宙与时空》 连载⑩
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时 间的 性质 （ ） 上
赵 峥
（ 京 师 范 大学 物 理 系 ， 京 北 北
１０ ７ ） ０ ８ ５
科 学 家的更 多注意 ．
千百 年来 ， 不少伟 大 的思想 家对 “ 间” 时 发表 了
许多精 彩 的见解 ， 行 了许 多深 奥的争论 ． 进 这些 见解 和争论 ， 加深 了人 类 对 “ 间 ” 时 的认 识 ， 我 们 带 来 给
了光 明 ， 带 来 了更 多 的 疑 义 ¨ 也 。．
么？无人 问我 ， 很清 楚 ， 旦问起 ， 我 一 我便茫 然． … ” 现代 自然科 学 认 为 ， 时间 和空 间都 是 物质 延展 性 的表现 ． 问是一 维 的 ， 一维 的绵延 ； 问是 三 时 是 空 维 的 ， 三维 的广延 ． 延 与 广延 都 属 于延 展 ． 而 是 绵 然 绵 延与广 延 不 同 ， 它还 有 “ 逝 ” 流 的含 义． 延 的 这 绵 种“ 流逝性 ” 在 物理学 上 表现 为 自然 过程 的不 可 逆 ， 性 ， 现为热 力学第 二定律 ． 表 流逝性 的存在 使得 时间
宇宙背后的时间和空间(宇宙没有时间和空间)
宇宙背后的时间和空间在整个宇宙的辽阔背后，隐藏着许多深奥的谜团，其中时间和空间被认为是最神秘的两个概念之一。
人类对时间和空间的理解始于古代，但直到近代才有了更深入的探索和理论。
时间被认为是宇宙中不可逆转的流动，是万物变化的基础。
然而，爱因斯坦的相对论却颠覆了人们对时间的传统理解。
相对论告诉我们，时间并不是一个绝对的概念，而是与空间紧密相连的，呈现出一种弯曲、拉伸的特性。
这意味着，在不同的引力场下，时间会流逝得不同速度，这就是著名的时空弯曲效应。
与时间紧密相关的是空间。
空间是指宇宙中所有的位置和距离，是物质存在和运动的舞台。
在爱因斯坦的广义相对论中，空间也被视为一种弯曲的结构，受到引力场的影响。
引力是由质量所产生的，并使空间弯曲，就好比将一块布放在桌面上，产生了一个凹陷，表示出了物体对空间的影响。
时间和空间的关系被统一成时空的概念，构成了宇宙的基本结构。
这种时空结构不仅影响着宇宙中的物质运动和能量传播，还决定着宇宙的演化和结构。
宇宙的膨胀和加速膨胀，黑洞的奇点和奇点内部的时空结构等现象都与时间和空间的特性密切相关。
尽管时间和空间的本质依然充满了许多未知和谜团，但科学家们对其进行了深入的研究和探索，提出了许多有关时空结构的理论和模型。
通过对宇宙的观测和实验，我们或许能够揭开时间和空间更深层次的秘密，从而更好地理解宇宙的运行规律和起源。
时间和空间，作为宇宙中最基本的概念之一，承载着宇宙的起源、演化和命运。
它们的神秘性和复杂性激发了人类对宇宙的无限探索欲望，也同时引领着我们向着更深邃的宇宙真理迈进。
愿人类在对时间和空间的探索中能够不断突破认知的局限，解开更多宇宙的奥秘，探寻更多未知的领域。
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第29卷第2期大 学 物 理Vol.29No.2 2010年2月COLLEGE PHYSI CS Feb.2010《相对论、宇宙与时空》连载 《相对论、宇宙与时空》连载λψ———时间的性质(下)赵 峥(北京师范大学物理系,北京 100875)8 时间测量的基础———“约定光速”相对论诞生之后,人们逐渐认识到不仅时间的测量有问题,空间的测量也存在问题.一根尺在不同的地方,长度是否一样,尺子在移动过程中长度会不会改变,都成了需要深思的问题.哲学家们在探索“时间本质”上所发挥的激情,使时间测量问题更加混乱.不少哲学家认为时间与空间不同,时间应该属于精神世界.有的哲学家干脆认为时间的度量只能靠“直觉”.然而什么是“直觉”,也很难说清楚,似乎只能意会,不能言传.哲学家的聪明才智虽然给了科学工作者很多启示,但上述把时间归入“精神世界”,把时间度量归入“直觉”的看法,似乎无助于自然科学工作者对时间性质的研究.针对上述导致“混乱”的观点,庞加莱在相对论诞生前夜(1900年前后)发表了一些重要看法.庞加莱认为时间的测量分为两个问题,一个是如何确定“异地时钟”的同时,另一个是如何确定“相继时间段”的相等.他认为这两个问题的解决不能靠“直觉”,而应靠“约定”.他在《时间的测量》一文中猜测,应该把“光速各向同性而且是一个常数”作为一条公理.他讨论了用交换光信号来确定两地时间“同时”的问题[15].1905年,他在《科学的价值》一书中再次强调了他对“约定”光的传播性质的观点:“光具有不变的速度,尤其是,光速在所有方向都是相同的.这是一个公设.没有这个公设,便不能试图测量光速”[15].科学史的研究表明,在相对论的第一篇论文发表之前很久,爱因斯坦就已认识到“相对性原理”和“麦克斯韦电磁理论”是应该坚持的基本原理.他也已认识到这将导致电磁理论与参考系无关,以及由此引起的光速与参考系无关的结论,即所谓“光速不变性”.也就是说爱因斯坦已经抓住了“相对论”的基础.那么他为什么一直没有建立起“相对论”呢?爱因斯坦1922年在日本京都的一次即兴演讲道出了其中的原委[20].他回忆了大约在1905年5月与朋友贝索的一次讨论,当时爱因斯坦正被一个问题卡住.这个问题就是“光速不变性”似乎与力学中的速度叠加法则相矛盾.这个难题爱因斯坦思考了几乎一年,然而毫无结果.他觉得“这真是个难解之谜”.爱因斯坦在京都演讲中回忆道:“这时,伯尔尼的一个朋友(贝索)意外地帮助了我.那是一个明媚的日子,我去访问他,与他进行了如下的谈话:‘最近我有个难以理解的问题,所以今天我把问题带到这里来想跟你讨论.’我们谈了很多,我突然明白了.第二天我又去看他,开口就说:‘谢谢你,我已经完全解决了这个问题.’我解决的实际上就是时间概念,也就是说,时间不可能被绝对地定义,时间和信号速度之间存在着不可分离的联系.”爱因斯坦曾和他的朋友们一起读过并讨论过庞加莱的文章.看来这次与贝索的谈话使爱因斯坦回忆起了庞加莱关于时间与光速关系的论点,这给了他重要的启示,解决了卡住的问题.几周后爱因斯坦关于相对论的第一篇论文《论运动物体的电动力学》就投给了杂志社,文章后面,爱因斯坦向贝索致谢,“感谢他提出的一些有价值的建议”.在下一节中,我们将清楚地看到,庞加莱“约定”光速的观点,对爱因斯坦建立相对论的影响.9 异地时钟的校准———“同时”的定义“异地时钟的校准”和“相继时间段(绵延)的测量”是时间研究中的重大问题.庞加莱认为这两个问题相互关联,而且只有通过“约定”才能加以解决.他推测通过“约定”真空中光速的各向同性有可能解决上述问题.爱因斯坦赞同庞加莱对时间度量的约定论,并在他的相对论中用“约定”的方式定义了异地事件的同时.由于物理学是一门实验的科学、测量的科学,有关时间度量的任何约定,都必须使定义在测量上有可操作性.为此,爱因斯坦建议“约定”真空中的光速均匀各向同性,而且是一个常数.爱因斯坦把62 大 学 物 理 第29卷庞加莱的猜想具体实践到物理理论中.在相对论的开创性论文《论运动物体的电动力学》中,爱因斯坦给出了“同时性的定义”.他写道[5,6,21]:“如果在空间的A 点有一个钟,在A 点的观察者只要在事件发生的同时记下指针的位置,就能确定A 点最邻近的事件的时间值.若在空间的另一点B 也有一个钟,此钟在一切方面都与A 钟类似,那么在B 点的观察者就能测定B 点最邻近处的事件的时间值.但是若无其他假设,就不能把B 处的事件同A 处的事件之间的时间关系进行比较.到目前为止我们只定义了‘A 时间’和‘B 时间’,还没有定义A 和B 的公共‘时间’”.他接着写道:“除非我们用定义规定光从A 走到B 所需的‘时间’等于它从B 走到A 所需的‘时间’,否则公共‘时间’就完全不能确定.现在令一束光线于‘A 时刻’t A 从A 射向B ,于‘B 时刻’t B 又从B 被反射回A ,于‘A 时刻’t ′A 再回到A (图2).图2 惯性系中异地时钟的校准(空间图与时空图)按照定义,两钟同步的条件是t B -t A =t ′A-t B (1)我们假定,同步性的这个定义是无矛盾的,能适用于任何数目的点,并且下列关系总是成立的:1)假如B 处的钟与A 处的钟同步,则A 处的钟与B 处的钟也同步;2)假如A 处的钟与B 及C 处的钟同步,则B 、C 两处的钟彼此也同步.这样,借助于某些假想的物理实验,我们解决了如何理解位于不同地点的同步静止钟这个问题,并且显然得到了‘同时’或‘同步’的定义,以及‘时间’的定义.”爱因斯坦又写道:“根据经验,我们进一步假设,量2ABt ′A -t A=c(2)是个普适恒量,即在真空中的光速.公式(2)可改写为t A +t ′A2=t B (3)爱因斯坦就把A 钟的时刻t A =t A +t ′A2(4)定义为与B 钟的t B 同时的时刻.在平直时空的惯性系中,爱因斯坦用这种方法不仅定义了异地坐标时的“同时”,而且定义了异地静止标准钟的“固有时”同时,在操作过程中,他上面提到的几点假设都没有出现矛盾.然而,研究表明,如果在平直时空中采用非惯性系,或在弯曲时空中采用任意的曲线坐标系,则爱因斯坦的“假设2”不一定成立.研究发现,只有在时轴正交系(时间轴垂直于三个空间轴)中“同时”才具有传递性(即假设2成立),才能在时空中建立“同时面”,定义统一的时间,使各点的钟保持同步.10 “同时”具有传递性的条件下面我们介绍一下朗道等人关于“同时”传递性的讨论,即对爱因斯坦所提的“假设2”在什么条件下成立的讨论.爱因斯坦的“假设2”说,在任何一个惯性系中固定3个钟,如果用上面的方法把A 、B 两处的钟对好,再把B 、C 两处的钟对好,那么A 、C 两个钟就自然对好了.这表示“同时”这个概念具有传递性,全时空可以定义统一的时间.此结论与人们的常识一致,因此没有引起更多的兴趣.然而朗道等人指出,在弯曲时空中(以及平直时空的非惯性系中)却未必一定能做到这一点.在弯曲时空的一个参考系中,如果放置3个固定钟,同样可以用爱因斯坦建议的方法来对钟.可以把A 、B 两点的钟对好,再把B 、C 两点的钟对好,但是,这时A 、C 两个钟却往往对不上(图3).这表示“同时”这图3 “同时”的传递性(空间图与时空图)个概念不具有传递性,不能在全时空定义统一的时间.朗道等人证明,只有在时间轴与3个空间坐标轴都垂直的情况下,即所谓“时轴正交”的情况下,A 、C第2期 赵 峥:《相对论、宇宙与时空》连载λψ63两个钟才能自然对好,“同时”才具有传递性,才能在全时空定义统一的时间[8,22224].狭义相对论通常使用直角坐标,时空的4个坐标轴均两两垂直,当然时轴正交,“同时”自然具有传递性.所以,爱因斯坦提出的“假设2”,在狭义相对论的研究中,没有出现问题.但是,广义相对论中的坐标系是任意的曲线坐标系,一般都不会时轴正交.不过,在大多数时空中,都可以找到一个时轴正交的坐标系来作参考系,在这个参考系中“同时”具有传递性,可以定义统一的时间.然而,如果在一个时空中找不到这样的时轴正交系,那么就不可能在此时空中定义统一的时间.因此,在相对论中“同时”这个概念不是在任何参考系中都具有传递性的.广义相对论明确地给出了“同时”具有传递性的条件———时轴正交(时间轴必须与3个空间轴都垂直.3个空间轴之间是否相互垂直,没有关系).11 “钟速同步”与第零定律“同时”的传递性使我们自然联想到物理学中存在的另一个有关“传递性”的规律———热力学第零定律.第零定律告诉我们“热平衡具有传递性”.3个物体,如果A与B达到热平衡,B与C达到热平衡,A与C就自然达到了热平衡.“热平衡的传递性”是否与“同时的传递性”有关呢?我们的研究表明,“热平衡的传递性”等价于“钟速同步的传递性”[12,23,24].什么叫钟速同步呢?这就是说,当把B点的钟调到与A点的钟快慢一样(钟所指的时刻不一定一样),再把C钟的快慢调到与B钟一样时,如果C钟与A钟的快慢自然一样了,这就称为“钟速同步”具有传递性(图4).这种传递性的条件,比“同时”具有传递性的条件(时轴正交)要宽松.“同时”要求各钟指示的时刻全一样,而“钟速同步”只要求各钟快慢相同,不一定指示同一时刻.也就是说,“同时”具有传递性的时空,“钟速同步”一定具有传递性,反之则不一定.研究表明,热力学第零定律保证“钟速同步”具有传递性,或者说,保证时空中一定存在一个“钟速同步具有传递性”的参考系.粗略地说,就是保证“同时”具有传递性,因而在空间各点可以定义统一的时间[12,23,24].所以说,“同时”这个概念,并不是在任何空间中都存在的,只有在热力学第零定律成立的空间中,它才可能存在.时间这个概念,并不是在任何时空中图4 “钟速同步”的传递性(时空图)都可以统一定义的,只有在热力学第零定律成立的空间中才可以对空间各点定义统一的时间.总而言之,热力学第零定律告诉我们,“同时”是可以定义的,或者说,时间是可以在空间各点统一定义的.在热力学中,第零定律的作用,是保证温度可以定义.我们惊讶地发现,它也保证时间可以定义.12 绵延的相等———“时间段”相等的定义“异地时钟的同时”和“相继时间段(绵延)的相等”是时间研究中的两个重大问题.爱因斯坦在建立相对论时,“约定”真空中光速各向同性,而且是一个常数,从而定义了异地时钟的“同时”.朗道等人进一步指出,只有在时轴正交系中才能保证通过上述“约定”在全时空定义统一的坐标时间,建立同时面.然而,他们都没有讨论同一时钟的“相继时间段相等”应如何定义.这样,现代物理学中时间与空间的测量建立在两个约定的基础上.一个是约定光速均匀各向同性,而且是一个常数c,另一个是约定存在保证物理规律简单的好钟.在这两个约定的基础上,可以定义不同空间点的钟“同时”或“同步”,还可以定义绵延的相等,并进一步用光速乘时间定义空间距离.但是,什么叫物理规律简单是个很难说清楚的问题.要求在局部惯性系中惯性定律成立,则必须事先定义“标准尺”,有了正确的空间距离,才能通过惯性定律验证钟的好坏,然而,在广义相对论和现代物理学中,空间距离是用“约定的光速”乘上光传播这段距离的时间来定义的.我们看到,定义“时间”要用到“距离”,定义“距离”又要用到“时间”,这里面存在逻辑循环.因此“好钟”定义有它的内在矛盾.前面谈到,我们建议了一个新的对钟等级:不要求把各点坐标钟的时刻校准一致,只要求把它们的钟速调整同步.我们沿用爱因斯坦-朗道采用的对真空中光传播性质(即光速各向同性而且是一个常数)的约定,给出了钟速同步具有传递性的条件.64 大 学 物 理 第29卷我们最近强调指出,这一“钟速同步”的方案,不仅可以通过对光速的“约定”,定义异地时钟“钟速”的同步,而且可以通过同一个“约定”(约定光速)来定义任一指定坐标钟“相继时间段(又称绵延)”的相等,从而不仅解决了庞加莱提出的时间测量的第一个问题(即异地时钟同步的定义),而且解决了他提出的第二个问题(即相继时间段相等的定义).这使得我们能够在全时空定义统一的时间(即统一的坐标钟钟速).因此,现代物理学中关于“好钟”的约定是不需要的.我们的这一研究结果补充并发展了庞加莱和爱因斯坦等人关于时间测量的理论[12,25,26].在上节我们指出,热力学第零定律保证钟速同步具有传递性.现在我们看到,热力学第零定律保证可以不仅在全空间,而且在全时空,定义统一的时间. 13 “约定光速”等价于“约定时空对称性” 不过,在“好钟”的理论中也存在合理的因素.要求能量守恒定律成立是个好的想法,它反映了时间流逝的均匀性.事实上,对真空中光速的约定,就是对时空对称性的约定.我们要求真空中光速逐点均匀,相当于要求时间和空间的均匀性,而时间和空间的均匀性又分别对应着物理学中的能量守恒和动量守恒.要求真空中光速各向同性,相当于要求空间各向同性,它对应着物理学中的角动量守恒.要求光速不变原理成立,则相当于要求时空存在布斯特(Boost)对称性,也即狭义的洛伦兹变换成立.我们约定光速是一个常数c,有3层含意,即约定光速均匀、各向同性,而且与光源相对于观测者的运动无关.这就相当于要求时间、空间均匀,空间各向同性,而且具有Boost对称性.也就是说要求时空满足庞加莱对称性.有引力场的时空不具有整体的庞加莱对称性.然而,测量是局域的,我们只需要约定局部光速,约定光速在每一时空点的邻域均匀各向同性,而且是一个常数c.这一约定对应局域庞加莱不变性.广义相对论中的测量一定是局域的.我们对钟所用的小步雷达法建立在局域测量的基础上.约定“局域光速”,相当于约定弯曲时空中存在局域庞加莱对称性.这与引力规范理论的主张是一致的.在引力规范理论中,引力场可以看作时空庞加莱对称性局域化而产生的补偿场———规范场.我们这里关于时间测量的讨论,似乎支持广义相对论是一个以庞加莱群为基础的引力规范理论.从上述讨论可以看出下列关系:对“真空中光速”的约定Ζ对“时空对称性”的约定约定真空中光速是常数cΖ约定时空具有庞加莱对称性光速的均匀性Ζ时间、空间平移不变性Ζ能量守恒、动量守恒光速的各向同性Ζ空间转动不变性Ζ角动量守恒光速不变原理Ζ时空Boost不变性Ζ狭义洛伦兹变换对“好钟”的约定,可以看作对“时空对称性”(特别是时间对称性)的约定.均匀流逝的时间,可以保证能量守恒,各种时空对称性,可以保证物理规律简单.而对“时空对称性”的约定,相当于对光速的约定.因此,我们只需约定光速,就可定义异地时钟的同步和相继时间段的相等.“好钟”的存在,不再是一个独立约定,而只是对光速约定的一个推论.14 热、引力与时间让我们站在一个新的高度来认识热与引力的关系.一方面,热和引力是任何物质都有的两种最普遍的属性.而且,只有这两种属性是任何物质都有的,找不出第三种.另一方面,万有引力不可屏蔽,热运动也不可屏蔽,只有这两种相互作用不可屏蔽,找不出第三种.热与引力,是维持恒星和星系生存的一对矛盾,一个起排斥作用,另一个起吸引作用,最后达到一定的平衡.特别值得注意的是,当通常的热运动停止下来,星体只剩下万有引力的吸引作用而彻底塌缩时,形成的黑洞居然会有温度出现.本章前面的讨论又表明,万有引力作用发展到极端而形成的奇点,与违背热力学第三定律、完全不考虑热效应有关.可见,热与引力具有深刻的本质联系.不能把引力与电磁力、强力、弱力等同看待,引力不是真正的力,它不仅是时空的弯曲,而且与热不可分割.另一方面,狭义相对论的热力学理论至今存在问题,更不用说广义相对论的热力学了.一个匀速运动的物体,与静止的同种物体相比,其温度升高、降低还是不变?现在居然有三种答案,而且谁也说服不了谁.实际上,热学理论至今未能纳入相对论的框架.爱第2期 赵 峥:《相对论、宇宙与时空》连载 λψ65 因斯坦在1905年之后,碰到了万有引力定律纳不进相对论框架的困难.今天我们碰到了类似的困难,并且也许是更大的困难.图5 热、引力与时间广义相对论告诉我们,引力与时间有关,上面又谈到引力与热有关,热与时间有关.我们朦胧地看到一个重要的三角关系(图5).特别值得注意的是,上述讨论表明,热力学的4条定律都与时间的本性有关:第零定律表明,时间是可以定义的;第一定律表明,时间是均匀的;第二定律表明,时间是有方向的;第三定律表明,时间是无穷无尽的,既没有开始,又没有结束.时间就像一条既没有源头,又没有终点的河流,向着特定的方向均匀地流逝着,远看起来,它十分平静,好像“长沟流月去无声”;但近看起来,会发现它有量子效应导致的涟漪、浪花、波涛与飞沫.经过一个世纪的努力,当又一个新世纪来临之际,物理学似乎再次处于重大变革的前夜.建立有限温度的引力理论,搞清楚热、时间与引力之间的三角关系,很可能是新变革的起点.自然界的秘密是无限的,人类探求知识的能力也是无止境的.我们不禁想起屈原的诗句,“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索”.参考文献:[1] 吴国盛.时间的观念[M ].北京:中国社会科学出版社,1996.[2] 柏格森.时间与自由意志[M 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(全文连载完.该连载内容基本源自作者专著《物理学与人类文明十六讲》(高等教育出版社,2008年9月出版).欲了解更详细的内容请参阅原书———编者)。