九游会 爱因斯坦如何重塑时空不雅念

爱因斯坦透顶转换了那边与何时的含义。

在爱因斯坦的世界不雅中，空间与时期本人都是相对的。这意味着，咱们在泛泛陶冶中所依赖的那边与何时的成见，在世界法度上已不再适用。

就像面团发酵时，面团各部分会相互彭胀远隔一样，世界法度上的时空结构也在彭胀，鼓励星系、星系群和星系团等结构互相远隔；此时必须全面计议相对论效应，才能准确协调它们之间的距离与光传播时期。可是，在这些各自引力拘谨的结构里面，时空彭胀效应并不发生。

若想了解某物距离咱们有多远，只需测量其距离即可；若想服气某事件发生的时期，只需借助计时技能。这看似松弛，对吧？ 可是，这种明确的距离与时期成见仅在牛顿力学所描摹的世界中才树立。高慢因斯坦建议相对论以来，东说念主们已相识到，距离与时期试验上是相对的，尤其在世界法度上更是如斯。 正因如斯，一朝将空间、时期、通顺以及狭义与广义相对论纳入考量，问题便变得复杂得多。咱们依然不错协调那边与何时的含义，但需要更深入地念念考。

在地球上，服气任何事物的位置或事件发生或行将发生的时期似乎都很松弛径直。毕竟，咱们一经完成了对地球名义的全面测绘，不管身处世界何地，都不错用三个坐标——纬度、经度以及海拔（或深度）——来精服气位。此外，咱们已将地球上的所有计时方式与原子钟同步，使得行家各地的东说念主们都能准确获知任何事件发生、行将发生或也曾发生的时期与地点。

但这依赖于一个咱们大大量东说念主从未细想就默许接受的基本假定：你从地球上的某个位置所不雅察到的此时此地，与地球上任何其他位置的东说念主所不雅察到的此时此地是相通的。可是，这种不雅念早已被评释是失实的。咱们目下知说念，就连何时和何地这么的成见也受爱因斯坦相对论的操纵；在相对论中，空间和时期并非绝对量，而是相对于每一位私有的不雅察者而言的。

咱们仍可沿用传统的牛顿式位置与时期成见来科罚大大量泛泛问题，但当波及当代科学所需的极高精度，或不雅测世界中远处且处于彭胀空间中的天体时，则必须收受爱因斯坦所建议的相对论表面。以下是具体作念法。

一种广为东说念主知的估算雷电与不雅察者之间距离的相貌是：在看到闪电闪光后，脱手计数直至听到雷声初度传来，所资格的秒数即为参考依据。时常，每3秒的蔓延约对应1公里（约0.6英里）的距离——这源于光速与声速之间巨大的相反。

这看似是过后才显着的真谛真谛，但当你在地球上不雅测某个事件时，你所看到的并非该方朝上此刻正在发生的试验情形，而是信号——不管其性质如何——抵达你的眼睛（或你所使用的任何不雅测器官或仪器）的这一刻，该信号被发出时的情形。

请计议上述图片

闪电产生的光似乎当先到达，这一信号呈目下你的眼中；而归并事件产生的雷声则稍后才抵达，光与声息之间的时期差会跟着闪电发生地距离的增多而变大。

闪电击中事件照实是一个咱们的视觉和听觉能够感知的物理事件。

当在原来静止的水体中产生扰动时，举例将一块石头参加水中，这种扰动便会以特定速率向别传播，该速率由扰动本人的性质以及介质的特质共同决定。不管是水波、声波、光波如故引力波，所有波动均以有限速率传播。

你先看到闪电、随后才听到雷声，并不是因为闪电先产生、雷声后产生，而是因为——当你与放电事件相距较远但距离有限时，光信号和声息讯号都需要穿越这段空间才能到达你所在的位置。可是，任何物理信号从源泉传播到不雅察者处都不是瞬时完成的；所有信号都以有限的速率传播，其中最快的速率是真空中的光速，即c，约为299，792，458米每秒。

这意味着，即使你距离闪电发生的位置相对较近，举例仅一公里（0.62英里）远，你也不会在闪电发生的倏地看到它。违抗，你只可在光信号从闪电发生处传播到你所在位置之后才能不雅察到它：即从光源传播至不雅测者。光在空气中的传播速率略低于真空中的光速（约慢0.03%），因此该信号抵达你场所需的时期约为3.3微秒。

可是，声息在空气中的传播速率则要低得多：约为343米每秒，即约760英里每小时。这是因为声息是一种物理压力波，通过空气的压缩与稀薄来传播。与3.3微秒比较，声息从1公里外发生的事件传播到你的耳朵操纵需要快要3秒钟。

光试验上是一种电磁波，其电场与磁场互相垂直，何况同相漂浮，二者均垂直于光的传播标的。波长越短，单个光子的能量越高，但在介质中传播时，其速率受介质影响的进度也越大。

这少许很进犯，原因有好多，但豪迈最进犯的是：任何物理信号都只不错有限的速率传播，而你动作不雅察者，唯一在信号到达你这里时，才能得回到产生该信号的事件的信息。这意味着，即使所以光速——所有信号中最快的速率——传播，你也只可看到世界中事物在信号发出时的情景，而不是它对你而言此刻的情景。

从山顶远看30公里（18.6英里）外的城市，你所看到的是它100微秒前的格式。 仰望夜空中月亮，你所看到的是它约1.3秒前的格式；这意味着，若月球名义刚刚发生了一次小行星撞击，而该事件发生在往常1.3秒内，你尚未不雅测到，尽管它试验上一经发生。 从地球不雅测太阳，你所看到的是它约8分20秒前的格式；这意味着，若太阳名义发生了耀斑或空间天气事件，联系信号需经过这段传播时期才能抵达你的探伤开荒，你在此之后才能探伤到。

咱们不错借助对地球、太阳系以及光速的阐明，为每个事物服气一个何时与何地，前提是长期计议相对论效应及信号传播的特质。正因如斯，在物理学中，咱们并不浑沌地觉得所有存在的事物都可被咱们不雅测到；违抗，咱们引入了光锥的成见：唯一位于该光锥里面（包括往常与异日标的）的事件，其信号才可能被探伤到；而位于光锥外部的事件，其信号则无法被探伤——至少在刻下尚不能行。

光锥的一个示例，即从时空中某少许启航和到达该点的所有可能后光所组成的三维曲面。你在空间中移动得越多，在时期中移动得就越少，反之亦然。唯一位于你往常光锥内的事件才可能影响你刻下的情景；唯一位于你异日光锥内的事件才可能在异日被你不雅测到。这展示的是凯旋的闵可夫斯基时空，而非广义相对论中的曲折时空。 开端：MissMJWikimediaCommons

此时此刻，咱们所处确当下，即咱们感知中的目下，试验上仅限于咱们自身所处的此地此刻。事实并非只是是咱们无法察觉周围正在发生的一都事情，而是咱们只可径直感知到发生在咱们所在位置的此时此刻；对于其他一切事物，咱们所看到的都是它们往常的情景。

对于距离1千米的物体，咱们看到的是它们3.3微秒前的情景。 对于距离100千米的物体，咱们看到的是它们100微秒前的情景。 对于距离30万千米的物体，咱们看到的是它们1秒前的情景。 对于距离1.08亿千米的物体，咱们看到的是它们1小时前的情景。 对于距离26亿千米的物体，咱们看到的是它们1天前的情景。 对于距离9.46万亿千米的物体，九游会app咱们看到的是它们1年前的情景。

阿谁最终数值，9.46万亿千米，对应1光年的距离，即光在真空中以每秒299792458米的速率传播一年所经过的距离。

可是，咱们刚刚所规划的内容应当让你在念念考诸如太阳除外最近的恒星有多远？这么的问题时稍作停顿。这颗恒星并无争议：它即是比邻星，距离约为4.24光年。

在21世纪初，咱们已基本完成了对太阳系操纵区域内恒星的三维空间测绘。距离咱们最近的恒星，并不老是肉眼可见的那些，因为是否可见取决于恒星的距离与自身光度的共同作用；但除太阳外，所有恒星都远比太阳系内的天体远处得多。半东说念主马座α比邻星系统是一个三合星系统，目下包含距离太阳最近的三颗恒星；巴纳德星是距离太阳第四近的恒星，亦然距离太阳最近的单星系统。 开端：安德鲁Z科尔文

可是，目下尚存争议的是：比邻星刻下果真的距离是若干？咱们此刻所见的比邻星，究竟对应它往常哪个时刻的真实情景？咱们所知的是，来自比邻星的光穿越了分隔其恒星系统与太阳系之间的星际空间，最终抵达地球。可是，由于：

太阳围绕星河系通顺， 比邻星围绕星河系通顺， 而这两颗恒星——如同纵容两颗恒星一样——相互之间也存在相对通顺。

这意味着两者之间的距离将随时期而变化。在光信号穿越该星际距离所需的时期（即约4.24年）内，太阳系与比邻星之间的距离已发生转换。

若是比邻星朝向咱们通顺，那么它与咱们的距离将逐渐镌汰，这意味着咱们刻下所不雅测到的光（该光是在约4.24年前发出的）所对应的距离，仅在一定进度上准确——其准确性受限于比邻星在该光传播时期朝向咱们围聚的距离。同理，一颗正在远隔咱们的操纵恒星（举例沃尔夫359），其与咱们的距离会在光从该恒星传播至地球所需的约7.86年时期里不息增大。本日体在空间中相对于咱们通顺时，咱们所看到的只是该天体在发出此刻吸收到的信号时所处的位置，而非其刻下试验所在的位置。

尽管半东说念主马座α星系和半东说念主马座比邻星系目下是距离地球最近的恒星系统，但它们往常并非如斯，将来在某些时段也不会保持这一位置。事实上，若恭候更长的时期，将有其他恒星经过地球操纵，其距离致使会远小于半东说念主马座α星与比邻星刻下或异日所能达到的最近距离。这是因为所有恒星均围绕星河系中心及太阳进行三维空间通顺，其相对于太阳的通顺速率决定了它们与地球之间的距离随时期推移而握住变化——时而围聚，时而远隔。

诚然，这是咱们所有东说念主已在潜意志中掌捏的才调。当你参与需要向队友传球、踢球或投球的团队通顺时——举例足球、篮球、棒球等——你并不会将球对准队友刻下所在的位置，而是对准队友在球抵达时将会到达的位置：你需要预判队友的移动标的与速率，同期抽象计议球从你所在位置飞抵狡计位置所需的时期，以及队友从刻下位置移动到预判位置所需的时期。

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这种情况适用于各式信号，其中包括两种相配进犯的信号：光（电磁）信号和引力波信号。与光访佛，引力波信号也以光速c（即299792458米秒）传播，因为引力的传播速率与光速严格相配。由于LIGO汉福德、LIGO利文斯顿、Virgo和KAGRA等引力波探伤器均位于地球不同位置，归并引力波信号到达各探伤器的时期存在微细相反。准确协调这些信号，并借助爱因斯坦的相对论精准臆想信号在不同地点的到达时期差，是精服气位引力波源方位的重要。

一张行家舆图，展示了组成事件视界千里镜（EHT）相聚的射电千里镜，该相聚用于对星河系中心黑洞——东说念主马座A进行成像。图中以黄色标出的千里镜属于EHT相聚，在对东说念主马座A开展不雅测时期参与了蕴蓄不雅测。这些千里镜包括：阿塔卡马大型毫米亚毫米波阵列（ALMA）、阿塔卡马探路者实验千里镜（APEX）、IRAM30米千里镜、詹姆斯克拉克麦克斯韦千里镜（JCMT）、大型毫米波千里镜（LMT）、亚毫米波阵列（SMA）、亚毫米波千里镜（SMT）以及南极千里镜（SPT）。它们同期对归并黑洞进行不雅测，各台站测量数据的高精度时期同步，是重建黑洞图像的重要。 鸣谢：ESOM.Kornmesser

相同，当咱们运用地球上多个不同的射电千里镜不雅测归并个天体时，唯一通过精准臆想信号抵达各千里镜的时期差，才能反献艺该天体在信号发出时刻的结构与情景；这恰是甚长基线插手测量时候收场高分离率成像的基答应趣，举例对黑洞事件视界法度结构的成像计议。唯一结合相对论表面，并计议：

光速的有限性， 光（或引力波）从放射源传播到不雅测者所资格的时期蔓延， 以及在信号传播时期源与不雅测者之间距离的变化。

咱们能否准确服气远处物体的何时与何地。

在最大的世界法度上，还有一个要素需要计议，包括对梅西耶87星系中心黑洞事件视界的天放学测量，那即是世界的彭胀。当又名足球通顺员跑向球场前线，预判队友将球传到我方异日所在的位置时，这种表情臆想对咱们来说是直不雅老到的，因为足球场本人是静态且不变的。但若是球场本人正在彭胀呢？

尽管这听起来对足球来说可能很无理，但在世界彭胀以及咱们对本星系群除外远处星系的不雅测中，情况恰好如斯。

这个简化的图片展示了在世界彭胀经过中，光如何发生红移，以及未受引力拘谨的天体之间距离如何随时期变化。需要选藏的是，开动时刻两个天体之间的距离小于光在该时期段内所能传播的距离；光在传播经过中因空间彭胀而发生红移；最终，这两个星系之间的距离宏大于光子在两者间传播所经过的旅途长度。 鸣谢：罗布克诺普

正如物体不错在空间中相对于相互通顺，何况在信号从一个物体向另一个物体传播的经过中不息通顺一样，空间本人的结构也不错发生彭胀。这一荒谬效应——卓绝此前所规划的所有其他要素——成为除最隔壁星系之外所有星系的主导机制，从而导致一种深切的区别：

信号放射时刻，光源与（最终）不雅测者之间的开动距离（单元：光年）； 信号在传播经过中，从光源到不雅测者的光行时期（单元：年）； 不雅测者吸收到该信号的时刻，（原始）放射光源与不雅测者之间的最终距离（单元：光年）。

举例，当咱们不雅测一个天体时，所看到的是它1亿年前的格式，即此刻到达咱们的光一经传播了1亿年；而该光发出时，天体与不雅测者之间的距离仅为9900万光年，比及这束光抵达咱们时，二者之间的距离已扩大至约1.01亿光年。这种效应随距离增大而愈发权贵：传播时期为10亿年的光，对应天体刻下的距离约为10.36亿光年；传播时期为100亿年的光，对应天体刻下的距离约为160.3亿光年；而来自目下已知最远处星系的光，传播时期约为135.3亿年，其刻下的距离则高达约338亿光年。

该图展示了目下已说明的星系MoMz14的NIRCam（上）和NIRSpec（下）数据：这是迄今规矩已知最远处的星系。该星系在1.5微米及更短波长下完全不能见，其后光因世界彭胀而被拉伸。下方光谱中可见多种电离原子的放射特征，以及权贵而是非的莱曼断裂特征。

所有这些都标明，爱因斯坦一个多世纪前揭示的旨趣于今依然树立：空间、时期、距离、不息时期，以及对于那边与何时的谜底，都备是相对的。具体而言，它们依赖于时空中的点或事件——即三维空间中的特定位置与时期中的特定时刻——而这些点或事件又取决于不雅测者所处的参考系（亦即其三维速率）。它们还依赖于光源与不雅测者相互之间的相对通顺情景，以及操纵世界的时空在上述两个重要点之间是处于彭胀、放松，如故保持恒定不变的情景。

唯有全面协调所有联系要素，并对所用术语有明晰明确的界定，咱们才有可能准确回话何时和何地这类问题。你常会看到天体裁家通告某类天体距离咱们70亿光年，但试验上这种表述并不精准；他们确凿想抒发的是：来自该天体的光自愿射以来，历经70亿年才抵达咱们的千里镜和探伤开荒。事实上，由于世界不息彭胀，该光发出时，光源与不雅测者之间的试验距离小于70亿光年；光在空间中传播了70亿年之后，当它最终到达咱们这里时，光源与不雅测者刻下的试验距离已大于70亿光年。若要准确回话看似最基础的两个问题——何时与何地，咱们必须抽象计议经典物理、狭义相对论乃至广义相对论等多重效应。

科学与时候、天体物理学、天体裁、物理学、相对论

联系学问

时空是物理学中描摹物资存在与通顺的基本框架，由三维空间和一维时期共同组成。爱因斯坦的相对论指出，空间与时期并非相互孤立，而是互相交汇成四维联结体；物体的质料和通顺情景会影响时空的曲折与荏苒速率。泛泛陶冶中，咱们感知到的时期单向流动、空间具有延展性，但当代物理揭示其试验比直不雅感受更为深切而统一。

BY: Ethan Siegel

FY: AI