[ilingku:020]
[00:00.00]本字幕由TME AI技术生成
[00:01.21]第四章二时空当量
[00:06.23]要把时间看作和空间的三维多少有点等效的第四维
[00:11.99]会碰到一个相当困难的问题
[00:15.43]在量度长宽
[00:16.73]高的时候
[00:18.05]我们可以通通用同一个单位
[00:20.75]如英寸
[00:22.05]英尺等
[00:23.91]但时间既不能用英寸
[00:26.57]也不能用英尺来量度
[00:29.21]这时必须使用完全不同的单位
[00:32.45]如分钟或小时
[00:35.43]那么它们怎样比较呢
[00:38.57]如果面临一个四维正方体
[00:41.41]它的三个空间尺寸都是一英尺
[00:44.95]那么应该取多长的时间间隔才能使四个维相等呢
[00:50.83]是一秒
[00:51.93]还是一小时
[00:53.39]还是一个月
[00:55.42]一小时比一英尺长还是短呢
[01:00.36]乍一看
[01:01.60]这个问题似乎毫无意义
[01:04.24]不过深入想一下
[01:06.40]你就会找到一个比较长度和时间间隔的合理办法
[01:12.00]你常听人家说
[01:13.84]某人的住处搭公共汽车只需二十分钟
[01:18.86]某某地方乘火车五小时便可到达
[01:24.14]这里
[01:25.00]我们把距离表示成某种交通工具走过这段距离所需要的时间
[01:32.09]因此
[01:33.19]如果大家同意采用某种标准速度
[01:36.99]就能用长度单位来表示时间间隔
[01:40.55]反之亦然
[01:42.62]很清楚
[01:43.88]我们选用来作为时空的基本变换因子的标准速度
[01:48.72]必须具备不受人类主观意志和客观物理环境的影响
[01:54.30]在各种情况下都保持不变这样一个基本的和普遍的性质
[02:00.84]物理学中已知的唯一能满足这种要求的速度
[02:05.36]是光在真空中的传播速度
[02:08.98]尽管人们通常把这种速度叫做光速
[02:13.04]但不如说是物质相互作用的传播速度更恰当些
[02:19.03]因为任何物体之间的作用力
[02:21.97]无论是电的吸引力还是万有引力
[02:25.57]在真空中传播的速度都是相同的
[02:29.81]除此之外
[02:31.01]我们以后还会看到
[02:33.27]光速是一切物质所能具有的速度的上限
[02:38.06]没有什么物体能以大于光速的速度在空间运动
[02:43.66]第一次测定光速的尝试是著名的意大利物理学家伽利略在十七世纪进行的
[02:52.10]他和他的助手在一个黑沉沉的夜晚到了佛罗伦萨郊外的旷野
[02:58.30]随身带着两盏有遮光板的灯
[03:01.90]彼此离开几英里站定
[03:04.84]伽利略在某个时刻打开遮光板
[03:08.12]让一束光向助手的方向射去
[03:11.99]助手已得到指示
[03:14.11]一见到从伽利略那里射来的光
[03:16.79]就马上打开自己那块遮光板
[03:20.45]既然光线从伽利略那里到达助手
[03:24.07]再从助手那里折回来都需要一定时间
[03:28.25]那么从伽利略打开遮光板时起
[03:32.52]到看到助手发回的光线
[03:35.34]也应有一个时间间隔
[03:38.16]实际上
[03:39.12]他也确实观察到一个小间隔
[03:42.71]但是当伽利略让助手站到远一倍的地方再做这个实验时
[03:48.65]间隔却没有增大
[03:51.25]显然光线走得太快了
[03:54.67]走几英里路简直用不了什么时间
[03:58.75]至于观察到的那个间隔
[04:01.41]事实上是由于伽利略的助手没能在见到光线时立即打开遮光板所造成的
[04:08.89]这在今天成为反应实物
[04:12.75]尽管伽利略的这项实验没有导致任何有意义的成果
[04:17.65]但他的另一发现
[04:19.55]即木星有卫星
[04:21.95]却为后来首次真正测定光速的实验提供了基础
[04:27.35]一六七五年
[04:29.11]丹麦天文学家雷默在观察木星卫星的事实注意到
[04:35.37]木星卫星消失在木星阴影里的时间间隔逐次有所不同
[04:42.03]它随木星和地球之间的距离在各次卫星事实的不同而变长或变短
[04:50.40]雷默当即意识到
[04:52.18]这种效应不是由于木星的卫星运动的不规则
[04:57.04]而是由于当木星和地球距离不同时
[05:00.90]所看到的卫星是在路上
[05:03.62]传播所需要的时间不同
[05:06.94]从他的观测得出
[05:08.94]光速大约为十八万五千英里每秒
[05:14.28]难怪当初伽利略用他那套设备测不出来了
[05:18.80]因为光线从他的灯传到助手那里再回来
[05:23.14]只需要十万分之几秒的时间呀
[05:26.89]不过
[05:27.89]用伽利略这套粗糙的遮光灯所做不到的
[05:32.01]后来用更精密的物理仪器做到了
[05:36.29]在图三十一c上
[05:38.45]我们看到的是法国物理学家菲佐首先采用的短距离测定光速的设备
[05:46.96]它的主要部件是安在同一根轴上的两个齿轮
[05:52.16]两个齿轮的安装正好是我们在沿轴的方向从一头看去时
[05:58.52]第一个齿轮的齿对着第二个齿轮的齿缝
[06:03.34]这样
[06:04.28]一束很细的光沿平行于轴的方向射出时
[06:09.18]无论这套齿轮处在哪个位置上
[06:12.34]都不能穿过这套齿轮
[06:15.16]现在让这套齿轮系统以高速转动
[06:19.48]从第一个齿轮的齿缝射入的光线总是需要一些时间才能达到第二个齿轮
[06:27.36]如果在这段时间内
[06:29.42]这套齿轮系统恰好转过半个齿
[06:33.00]那么这束光线就能通过第二个齿轮了
[06:38.01]这种情况与汽车以适当速度沿装有定时红绿灯系统的街道行驶的情况很类似
[06:46.94]如果这套齿轮的转速提高一倍
[06:50.26]那么光线在到达第二个齿轮时
[06:53.76]正好射到转来的齿上
[06:56.22]光线就又被挡住了
[06:58.88]但转速再提高时
[07:01.20]这个齿又将在光速到达之前转过去
[07:05.47]相邻的齿缝恰好在这适当的时刻转来
[07:09.59]让光线射出去
[07:11.75]因此
[07:12.93]注意光线出现和消失时所对应的转速
[07:17.69]就能算出光线在两齿轮间传播的速度
[07:22.28]为减低所需的转速
[07:24.50]可让光在两齿轮间多走些路程
[07:28.14]这可以借助图三十一c所示的几面镜子来实现
[07:33.22]在这个实验中
[07:35.14]当齿轮的转速达到一千转每秒时
[07:39.00]飞佐从靠近自己的那个齿轮的齿缝间看到了光线
[07:44.87]这说明
[07:46.03]在这种转速下
[07:47.81]光线从这个齿轮到达另一个齿轮时
[07:51.95]齿轮的每个齿刚好转过了半个齿距
[07:56.83]因为每个齿轮上有五十个完全一样的齿
[08:01.33]所以齿距的一半正好是圆周的一百分之一
[08:06.73]这样
[08:07.65]光线走过这段距离的时间
[08:10.15]也就是齿轮转一圈所用时间的一百分之一
[08:15.29]再把光线在两尺间走的路程也考虑进来进行计算
[08:20.59]飞佐得到了光速是三十万公里每秒或十八万六千英里每秒
[08:27.61]这个结果
[08:29.07]他和雷默考察木西因的卫星所得到的结果差不多
[08:34.84]接着
[08:35.84]人们又用各种天文学方法和物理学方法
[08:40.00]继两位先驱之后
[08:41.86]做了一系列独立的测量
[08:44.92]目前
[08:45.98]光在真空中的速度常用字母c来表示
[08:50.68]最令人满意的数值是
[08:53.10]c等于二十九万九千七百七十六公里每秒
[08:58.48]c等于十八万六千三百英里每秒
[09:04.24]在量度天文学上的距离时
[09:06.98]数字一般都是非常大的
[09:10.00]如果用英里或公里表示
[09:12.68]可能要写满一页纸
[09:15.18]这时用速度极高的光速作为标准就很便当了
[09:20.93]因此
[09:21.81]天文学家说
[09:23.29]某颗星离我们五光年远
[09:26.21]就像我们说去某地乘火车需要五小时一样
[09:31.11]由于一年和三千一百五十五万八千秒
[09:36.75]一光年就等于三千一百五十五万八千乘以二十九万九千七百七十六等于九点四六乘以十的十二次方公里或五点八七九乘以十的十二次方英里
[09:55.50]采用光年这个词表示距离
[09:58.36]实际上已把时间看作一种尺度
[10:01.82]并用时间单位来量度空间了
[10:05.44]同样
[10:06.30]我们也可以把这种表示法反过来
[10:09.50]得到光阴里这个名称
[10:12.44]意思是指光线走过一英里路程所需的时间
[10:17.58]把上述数值带入
[10:19.58]得出
[10:20.18]一光英里等于零点零零零零零五四秒
[10:26.03]同样
[10:26.91]一光阴尺等于零点零零零零零零零零一一秒
[10:34.13]这就回答了我们在上一节中提出的那个四维正方体的问题
[10:39.92]如果这个正方体的三个空间尺度都是一英尺
[10:44.60]那么时间间隔就应该是零点零零零零零零零零一一秒
[10:52.40]如果一个边长一英尺的正方体存在了一个月的时间
[10:57.92]那就应把它看作一根在时间方向上比其他方向长的非常多的四维棒了