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文科生如何读懂相对论?

发布时间:2017-11-14 13:25  来源:网络整理

因此,在广义相对论中,时间旅行的科学原理是通过一个时空的圈环来回到过去,这个时空圈环在《时间简史》这本书中被霍金称为“类时闭合曲线”(有点拗口,我更喜欢我翻译的“时空圈环”)。爱因斯坦的狭义相对论是不允许时间旅行的,等到广义相对论刚刚诞生的时候,爱因斯坦也不认为时空能弯曲成一个圈环。直到1949年,他的好朋友——大数学家哥德尔(Godel, 1906-1978)在广义相对论方程中发现了一个解,这个解居然允许宇宙中这种时空圈环存在。爱因斯坦当时就震惊了,但随后他就自己意识到这个时空圈环正是自己和助手罗森一起发现的“虫洞”的某种特性(还记得我们在第五章最后讲到的爱因斯坦—罗森桥吗)。

所以,靠谱一点的时空穿梭原理一般都要借助虫洞来完成,以后看穿越小说记得先翻翻有没有提到爱因斯坦罗森桥或者虫洞什么的。

非常抱歉,前面出现了一个让你莫名其妙的名词——莫比乌斯带。不是我故意不解释,而是这个东西实在是太迷人了,我非得另起一段单独讲讲才觉得过瘾呢。莫比乌斯带,也经常被叫做魔比斯环,或者梅比乌斯带、麦比乌斯带等等,都是翻译带来的麻烦,英文名称是Mobius Strip。这是诸多科幻小说、科幻电影经常出现的一个神奇事物,它往往象征着时空穿梭。以它的发现者莫比乌斯命名,到现在也快有两百年了。

莫比乌斯带

看到没,上面这个就是莫比乌斯带,其实就是把一张纸条的一头拧半圈然后和另一头粘起来,形成一个圈圈。但是你千万千万不要小看这个圈圈,这个圈圈有着许许多多迷人的特性。如果你在这个圈圈上跑步,你就可以一直往前跑,不用翻越任何边界而跑过所有的面。如果你拿一只毛笔,沿着纸面只用一笔就可以把颜色涂满整个纸带。这个圈圈和我们平常认识的任何像手镯这样的圈圈不同,这个莫比乌斯带这只有一个面,如果你沿着手镯表面的中线一刀剪下去,那么手镯就会一分为二成为两个各自独立的手镯。但是神奇的是,如果你同样沿着莫比乌斯带的中线剪一圈,你会发现,这个莫比乌斯带不会一分为二,而是会成为一个更大的一个圈圈。然后你再沿着这个圈圈的中线剪开,你会神奇地发现这次剪出了互相嵌套在一起的两个圈圈。然后把两个圈圈再各自沿着中线剪开,又会变成互相嵌套的四个圈圈。这么剪下去永无止境,最后圈圈套圈圈复杂得可以把你搞疯掉。你是不是很有冲动去试试看了?别忙,还有更有意思的特性。首先来跟我认识一下所谓自然界中的“左右手系”对称。想一下左右两只手套,这两只手套你怎么看他都像是对称的,但问题是,如果你不把手套在空间中翻一个面的话,你永远也无法把两只左右手套完全重合地上下叠在一起,就好像你怎么也不能把左手套在不翻过一面的情况下戴进自己的右手中。不过,如果你让一只左手套沿着莫比乌斯带转刚好一圈(不是两圈),这只手套就会翻过一面成为了一只右手套,但是请千万记住它的神奇之处就在于:如果手套有感觉的话,它根本不会发现自己其实被翻过了一个面,在它的感觉中,它只是沿着一个面不停地运动,不知怎么的就从左手系变成了右手系,再运动一圈又变回了左手系。真是要命的感觉。

伽莫夫写的著名的科普经典《从一到无穷大》中就说,如果类似莫比乌斯带这样的事情也能发生在三维空间中,我们的鞋子制造商就会大为欣喜,他们只要生产左脚的鞋子,然后通过莫比乌斯空间传送带转一圈回来,就成了右脚的鞋子,真是爽死了。而一个人如果上了这个莫比乌斯空间传送带,转一圈回来则发现自己的心脏跑到右边去了,这就不爽了。但问题是,两维的纸片做成的莫比乌斯带我们很好想象,那到底有没有三维的物体形成像莫比乌斯带这样神奇的左右手系互转的形状呢?答案是有的,1882年德国数学家克莱因(Klein,1849-1926)找到了一种以他名字命名的模型,叫做“克莱因瓶”。

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