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【|为什么我们会笃定四维时空的存在？】


在20世纪初 ， 关于以太的辩论 ， 持续的时间其实很长 ， 在面临这种世纪难题的时候 ， 爱因斯坦的选择是倒过来想 ， 所谓以太 ， 是我们假想的一个全局静止的参考系 ， 但如果说这个以太必须跟着观察者一起动 ， 那么全局的参考系跟观察者的本地参考系 ， 将不会有任何的不同 ， 所以以太的存在被最终定义为没有必要 ， 从此以后这个宇宙的视角没有了全局 ， 没有了整体 ， 只保留了微观个体的本地参考系 。 但这还没完因为我们还需要增加一条新的规律 ， 对于每一个微观个体的本地参考系来说 ， 无论处于什么样的运动状态 ， 光速不会改变 ， 这就是著名光速不变 。 其实光速不变的概念特别重要 ， 在很多小伙伴的理解里面 ， 所谓的光速不变就是光速恒等于C ， 这种理解其实不对 ， 比如说1919年我们通过日食测量过光弯 ， 那么这条被太阳引力弯曲了的光线 ， 它的速度并不是处处不变 。 如果我们仅仅是站在地球的视角来看 ， 这条光线在经过太阳附近时 ， 它的速度是变慢了 ， 1964年美国天体物理学家欧文·夏皮罗 ， 设计了一个全新的思想实验 ， 如果可以从地球对任意的一个行星发射电磁波 ， 再用所在行星的人造卫星把这个信号给反射回来 ， 这样的话就可以通过两个行星之间的距离 ， 以及光在两地之间的往返的时间 ， 测量出光速是否存在着改变 。在正常的情况下肯定是测不出光速有任何变化的 ， 但当这颗行星运行到与太阳地球几乎达成一根直线时 ， 此时电磁波信号会出现弯曲 ， 那顺着弯曲的路径 ， 行进的光线是否会变慢 。 1976年海盗号火星探测器利用火星与地球的通讯做了实验 。 2003年卡西尼号土星探测器也做了相同的实验 ， 它们的实验精度分别为百分之一和万分之零点二 ， 而实验的结果是站在在地球的视角上 ， 被太阳偏移了的光线 ， 确实变慢了 。
所谓的光速不变的真正含义 ， 就是假设我们沿着这条弯曲的路径上 ， 放上一堆小明 ， 那么对于每一个小明来说不管他们处于什么运动状态 ， 引力空间 ， 他们自己测量出的光速 ， 恒等于C不会改变 ， 而这就是我们刚刚说的微观的个体的本地参考系的概念 。


假设A点有一个打水器 ， 水波会以一个固定的速度向外扩展 ， 此时打右边来了一个观察者 ， 叫做点B ， 它以一个固定的速度向A点行进 ， 如果我们把时间轴给它拉出来 ， 你看这就是一个时空图 ， 水波在不断的扩张 ， 而观察者在逐步的靠近波源 ， 如果只分析最外面的这层水波的话 ， 就变成了一个锥形 ， 它的两条边就代表了水波的行进速度 。
再从点A的视角 ， 切换到点B的视角 ， 既然是B点的视角 ， 那么在他看来他自己肯定是保持静止的 ， 于是就变成了一条沿着时间轴向上走的直线 ， 而波源以及水波在逐渐的向他靠近 ， 如果此时再分析一下水波的速度 ， 朝向B的波速增加了 ， 而远离B的波速降低了 ， 这种切换视角的方式就是最经典的伽利略变换 。 但是如果此时把水波变成光波 ， 情况就完全不一样 ， 根据观测不管B处于什么样的运动状态 ， 对于B来说既然光速不变 ， 唯一能变的就只有变换 ， 于是新的变换形成了 ， 这个变换就叫做洛伦兹变换 。 洛伦兹变换并没有那么难以理解 ， 如果单单只从速度的角度去考虑的话 ， 画一个二维坐标系 ， 横轴就代表了空间的速度 ， 纵轴叫做时间速度 ， 那么洛伦兹变换 ， 只规定了一个恒定的速度 ， 都会落在这个 ， 半径为光速的单位圆上 。

来源：(焦亚丽有话说)

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标题：|为什么我们会笃定四维时空的存在？