本系列文章預(yù)計(jì)會(huì)有30個(gè)章節(jié)，這套文獻(xiàn)將系統(tǒng)講物理學(xué)系統(tǒng)本身，這里是第九季第23篇
--預(yù)計(jì)閱讀7min--
Hello，大家好，這里是科學(xué)羊的物理學(xué)第九季專(zhuān)欄，我們接著聊聊關(guān)于時(shí)間的話題，本篇我們聊聊一個(gè)新的話題 —— 時(shí)間光錐！
你看過(guò)閃電俠嗎？
主角巴里艾倫為了搞清楚自己的母親是怎么被陷害殺死的，所以他快速奔跑打開(kāi)蟲(chóng)洞，穿越時(shí)空...
但是細(xì)節(jié)就是，但巴里艾倫每次回到過(guò)去的一點(diǎn)點(diǎn)小改變就會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)在的世界截然不同！
但是，狹義相對(duì)論禁止這件事發(fā)生。
雖然前面我們說(shuō)到有些事件的先后順序是相對(duì)的，但是相對(duì)論并沒(méi)有拋棄“過(guò)去”和“未來(lái)”這兩個(gè)詞。有些事兒的先后順序在哪個(gè)坐標(biāo)系下看都是一樣的。相對(duì)論不會(huì)混淆因果關(guān)系。
那到底哪些事件的先后是相對(duì)的，哪些事件的先后是絕對(duì)的呢？我們來(lái)看看愛(ài)因斯坦曾經(jīng)提出的“時(shí)間光錐”。
好，繼續(xù)往下看。
對(duì)于任意一個(gè)坐標(biāo)系中的一個(gè)事件A，我們首先用橫坐標(biāo)代表空間，縱坐標(biāo)代表時(shí)間，畫(huà)出它在這個(gè)坐標(biāo)系中的時(shí)空位置，如下圖 ——
圖片來(lái)自精英日課*3
從A點(diǎn)向上，就是這個(gè)事件未來(lái)的時(shí)間，A 點(diǎn)向下，就是過(guò)去的時(shí)間。
在這個(gè)坐標(biāo)系下，A 的過(guò)去和未來(lái)一目了然，它的“現(xiàn)在”，則是位于時(shí)間原點(diǎn)的一個(gè)平面。
那么圖中標(biāo)記的這幾個(gè)點(diǎn):
C 和 D 就都在 A 的未來(lái)，
E 在 A 的現(xiàn)在，
B 在 A 的過(guò)去...
也許換一個(gè)坐標(biāo)系，這幾個(gè)事件跟A的先后關(guān)系就會(huì)不一樣。
哪些先后關(guān)系是不會(huì)變的，哪些先后關(guān)系是可能變的呢？
為此我們就需要“光錐”了。
所謂光錐，就是在每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，看看光最遠(yuǎn)能走多遠(yuǎn)，把這個(gè)范圍畫(huà)出來(lái)，形成上下兩個(gè)圓錐形。這兩個(gè)光錐，代表了事件 A 的影響力邊界。
舉個(gè)例子：
假設(shè)你在宇宙中的某個(gè)點(diǎn)A點(diǎn)燃了一支煙花，并且這支煙花在恰好一秒后發(fā)出了光，這個(gè)光會(huì)在所有方向上以光速c傳播。
在A點(diǎn)的未來(lái)，光會(huì)形成一個(gè)球體，它的半徑恰好是光速乘以時(shí)間，也就是 c 乘以 1秒。這個(gè)擴(kuò)張的球體就是你的未來(lái)光錐。
對(duì)于任何在這球體內(nèi)的事件，它們都可能受到你點(diǎn)燃煙花的影響。
對(duì)于任何在球體外的事件，由于它們距離你的位置超過(guò)了光在這段時(shí)間內(nèi)能夠到達(dá)的距離，因此它們不可能受到你點(diǎn)燃煙花的影響。
為什么是這樣？因?yàn)?strong>光速是信息傳遞最快的速度。
比如說(shuō)，我們知道光從太陽(yáng)走到地球需要8分鐘。
那么請(qǐng)問(wèn)，此時(shí)此刻的太陽(yáng)和你之間，能互相影響嗎？
答案是不能。
哪怕太陽(yáng)此刻已經(jīng)消失了，你也得在8分鐘之后才感覺(jué)到。
這個(gè)原理就是光速不能到達(dá)的時(shí)空的事件，跟此刻的你沒(méi)關(guān)系。但是，如果光速可以到達(dá)，那么兩個(gè)事件的先后關(guān)系就是明確的。
上方光錐里的事件 C，就完全可以被 A 影響。
C 在 A 的光錐范圍之內(nèi)，A 一定可以給 C 發(fā)一個(gè)信號(hào)。這也就意味著，事件 C 只能發(fā)生在事件 A 之后。
比如說(shuō)，我看下這段文字這件事兒，算是事件 A。你聽(tīng)這段文字的時(shí)候，你身邊發(fā)生的事兒，算是事件 C。這個(gè)事件 C 一定是在事件 A 之后，因?yàn)槲铱梢酝ㄟ^(guò)這段文字給你一個(gè)信息，讓你去干擾事件 C。
同樣道理，下方光錐里的事件，都是有可能影響到 A 的事件，所以一定發(fā)生在 A 的過(guò)去。
可是圖中的事件 D 和 E，卻是在 A 的光錐之外。它們和 A 之間無(wú)法通過(guò)光速建立聯(lián)系！在這個(gè)坐標(biāo)系中 D 和 E 發(fā)生在 A 的未來(lái)和現(xiàn)在，而在另一個(gè)移動(dòng)的坐標(biāo)系中，D 和 E 卻有可能發(fā)生在 A 的過(guò)去。
一個(gè)事件的光錐，界定了它的邊界。光錐以內(nèi)的事件跟它*可以*有關(guān)，光錐以外的事件跟它*必定*無(wú)關(guān)。
考慮到光錐，我們就可以得出一個(gè)有意思的結(jié)論 —— “過(guò)去”和“未來(lái)”都有實(shí)實(shí)在在的范圍，但是“現(xiàn)在”，卻是一個(gè)相對(duì)的概念。
這個(gè)坐標(biāo)系中的那個(gè)平面是這個(gè)坐標(biāo)系中事件 A 的現(xiàn)在 —— E 和 A 同時(shí)發(fā)生，是“現(xiàn)在”的事兒。但是 E 是在 A 的光錐之外。這也就是說(shuō)，在另一個(gè)坐標(biāo)系中，E 和 A 就不是同時(shí)發(fā)生的了，可能發(fā)生在 A 的過(guò)去或者未來(lái)。
現(xiàn)在，其實(shí)是一個(gè)幻覺(jué)。你影響不了現(xiàn)在，也不被現(xiàn)在影響。
這個(gè)道理其實(shí)很簡(jiǎn)單。比如咱倆面對(duì)面說(shuō)話，你能看到我的形象，聽(tīng)到我的聲音，可是考慮到光和聲音都有一定的速度，你看到和聽(tīng)到的，其實(shí)都是我的過(guò)去。
我的現(xiàn)在，可以影響你的將來(lái) —— 但是“我的現(xiàn)在”和“你的現(xiàn)在”這兩個(gè)事件是不能互相影響的。
在絕對(duì)的意義上，你只能活在*自己的*當(dāng)下，并沒(méi)有人跟你天涯共此時(shí)。
費(fèi)曼講到這個(gè)道理的時(shí)候說(shuō)，很多人號(hào)稱(chēng)能預(yù)測(cè)未來(lái)，而殊不知，人其實(shí)連“現(xiàn)在”在發(fā)生什么都不知道。
我們?cè)?jīng)以為時(shí)空是個(gè)客觀的大舞臺(tái)，宇宙中所有東西有一個(gè)共同的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間 —— 而真相是時(shí)空是相對(duì)的。
現(xiàn)在是什么時(shí)間？這段距離有多長(zhǎng)？那個(gè)東西的速度是多少？這些問(wèn)題取決于你用的是哪個(gè)坐標(biāo)系。
時(shí)空是相對(duì)的，好在因果關(guān)系還是穩(wěn)定的，你不用擔(dān)心被穿越者篡改歷史。而這是來(lái)自于光速是信息傳遞的最快速度這個(gè)事實(shí)。
總結(jié)：
這是從另外一個(gè)角度來(lái)理解時(shí)間，我覺(jué)得很有意思，站在上帝視角，你看光錐就是這樣，其實(shí)你可以看到 A 的未來(lái)以及過(guò)去和現(xiàn)在同時(shí)發(fā)生，而在坐標(biāo)系內(nèi)你只能活在當(dāng)下！
此刻，就是此刻
好，本篇就到這里，下周見(jiàn)~
Masir 2023/10/20
于東莞
祝幸福~
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