時空中的楞次定律與時間膨脹效應

說到時空,很多人會聯想到科幻片裡的時空穿越,最為大家所熟悉的當屬“終結者”系列。

時空中的楞次定律與時間膨脹效應

但提到“楞次定律”,文科生可能就不太瞭解了,如果不是在物理專業深造的理科生,很多人對它的印象可能只是高中物理課本的一個章節。

時空,時間與空間的簡略集合名詞(物質運動的方向和速度,比如光線經過引力場時,光子會改變其運動的方向和速度),是力學、物理學、天文學和哲學的基本概念。

楞次定律的概要是,感應電流具有這樣的方向,即感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化。通俗的來講,感應電流的效果總是反抗引起它的原因。

時空中的楞次定律與時間膨脹效應

如果感應電流是由組成迴路的導體作切割磁感線運動而產生的,那麼楞次定律可具體表述為:“運動導體上的感應電流受的磁場力(安培力)總是反抗(或阻礙)導體的運動。”我們不妨稱這個表述為力表述,這裡感應電流的“效果”是受到磁場力;而產生感應電流的“原因”是導體作切割磁感線的運動。

可能有人會奇怪,時空包含的領域太廣,楞次定律只是電磁領域的慣性定理,時空中的楞次定律是怎麼回事?這兩者有什麼關係?

嚴格的來說,這兩者在物理學中並沒有非常明確的關係,少有人把他們放在一塊去研究。

但一次偶然的機會,我發現楞次定律可以用來解釋物體在時空中出現的時間膨脹效應(空間和時間的尺度隨著觀察者速度的改變而改變)。

時空中的楞次定律與時間膨脹效應

那時自己還是物理課代表,因為對物理學,特別是其中的分支天體物理學非常感興趣,常會跟老師探討一些課本之外的前沿話題。

那段時間正在看霍金的“時間簡史”,所以當老師講到“楞次定律”的基本原理時,一個大膽的想法頓時在腦海裡浮現出來。

我們不妨把上述“運動導體”假想成在空間中航行的飛行器,根據愛因斯坦狹義相對論中的觀點,當物體以接近光速飛行時,飛船外的觀測者會覺得飛船內的時間變慢,而飛船內的人並不會覺得時間有什麼變化。(當我們對向我們飛來的宇宙射線M作測量時,發現它的半衰期要比在實驗室中測出的22微秒長很多。在這個意義上,從我們觀察者的觀點來看,M內部的時鐘確實是走得慢些。時間進程拉長了,就是說時間膨脹了。)

那麼是什麼引起了時間膨脹效應?

“楞次定律”給了我們一個很好的提示,假設在空間中也存在一種類似“電磁場”的物理場,在其中飛行的物體也在快速切割物理場,產生的效應不是感應電流,而是感應時間。

那麼在距離不變的情況下,感應時間的“增加”,物體飛行的速度會相對減小,這可以解釋為什麼物體的運動速度不能超過光速。

時空中的楞次定律與時間膨脹效應

值得注意的是,這裡的感應時間並不是真正意義上“增加”了時間,而是相對減緩了速度,用更多的時間抵達目的地。

有意思的是,時間並不是真實存在的東西,我們所感覺到的時間只是物質變化反映出來的表象。就像人的衰老,放射性物質的半衰期,都是物質不斷變化的結果。

所以以接近光速航行的飛行器,它本質上的時間(物質變化的快慢)並沒有發生改變(人的細胞衰老速度也不會變化),也就是宇航員的壽命不會從70年增加到120年。

舉例來說,假如觀察者A位於地球上,地球可視作一個慣性參照系;觀察者B乘坐宇宙飛船以速度v相對於地球勻速運動,則飛船也可以視作一個慣性參照系。那麼,對於觀察者A而言, 宇宙飛船上的時鐘會比地球上的時鐘走得慢,並且速度越快這個效應越明顯。

然而,對於觀察者B而言,宇宙飛船上的時鐘(無論是機械鐘還是原子鐘)不會變慢,他所感受到的每一秒鐘都不會改變,這個時間是絕對的。

時空中的楞次定律與時間膨脹效應

只不過在A看來,B可以活很久,他做任何事情都需要花費很長的時間,這是因為兩個慣性系的時間流逝速率是不同的。

如果在宇宙飛船運動方向上有一把尺子,那麼,觀察者A測得這根尺子的長度會比B測得的結果更短。

事實上,動鍾變慢和動尺收縮效應都是為了保證光速對於兩個慣性系中的觀察者都是一樣的, 時間膨脹效應不是因為機械鐘或者原子鐘變慢了,這是一種時空屬性。

所以,觀測者A相較於B而言會看到飛船速度沒有改變,而是目的地距離增加了;觀測者B卻發現飛船速度“變慢”了,預期到達目的地的時間變長了。

而事實是,B經歷的時間和B飛行的速度,並沒有因為A的觀測對B產生任何影響。

時空中的楞次定律只是一個腦洞大開的想法,是事物表象逆向思維的結果,並沒有很強的事實數據供以佐證,大家姑且一看,權當拋磚引玉。

最近在思考另一個更有意思的問題,假設二維生物看到三維空間投影到二維空間的一個圓,恰好二維空間裡最聰明的一個生物頓悟了它是三維空間物體的投影,那麼它該如何確定是什麼物體的投影?

時空中的楞次定律與時間膨脹效應

可能是圓柱體,可能是籃球,也可能是一個腦袋。同理,時間作為四維空間的維度,它在三維空間表現的是時間,在四維空間裡它到底是什麼?

提示:空間維度的增加,也可理解是因為空間的塌陷,比如壓迫一個二維平面,平面有了厚度成為三維,如果塌陷三維空間呢?


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