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“大家看这个图,假设坐标系中横坐标X轴代表的是三维空间的物理坐标,Y轴代表时间轴,那么一开始的时候哥哥和弟弟都在地球上,他们都位于X轴上的一个点,假设就是这个P点!”
“当哥哥乘坐飞船离开地球的时候,弟弟和地球都没有动,他们仅在时间轴上运动,所以可以过P点画一条平行于Y轴的直线,取P'点是两兄弟相遇的点,那么弟弟所经历的时间线(世界线)就是PP'这条直线。”
见台下的众人都认真地听着,周晨接下去道:“由于哥哥是先远离地球,然后又回到地球,所以他的时间线是一条由P点出发,向X轴(空间坐标)的正方向弯曲,最后又回到P'点的弧线!”
“那么大家可以看出来了,弟弟经历的时间线是PP'这条直线,而哥哥经历的时间线则是PP'这条弧线,很多人应该会认为直线肯定要比弧线短,其实不然!”
“这是因为凡是涉及到时间的四维时空都是伪欧几里得几何,时间那一项的符号跟空间是相反的,所以在没有时间全是空间的坐标中要用加号,而一旦涉及到时间,前面就要加一个负号,所以在伪欧时空中,PP'这条看起来更长的弧线实际上才是短程线,它比PP'这条直线要更短!”
“至于刚才那位学生问为什么要采用伪欧时空,那是因为我们讨论的是四维时空,它是由三维空间加一个时间轴构成的,它与单纯的四维空间有很大的相似度,不过其中一维(时间维度)采用的是虚数。那么有人会问,我直接把时间作为第四维而不引入虚数单位行不行?”
“当然可以!只不过这样的话,洛伦兹变换阵就只是个普通的四阶方阵,在这样的系统中,经典力学定义的速度、力、动量就都不具有洛伦兹变换下的协变性了,对它们的计算会变得无从下手。”
“所以我们引入了虚数维度,这样一来,由这个新系统定义的四维速度、四维动量等等对洛伦兹变换就具有了协变性,就人们的审美习惯来说,也肯定更喜欢对称的东西,比如闵氏空间(伪欧时空)这里的正交矩阵,就是十分完美的。”
胖男生恍然大悟地点了点头,不过他随即又问道:“我还有一个问题,由于哥哥是乘坐飞船离开地球,所以他相对地球是在高速运动,所以看起来年轻;但反过来,如果以哥哥为参考的话,又是地球在高速远离,是弟弟在做高速运动,那么为什么最后的结果却还是哥哥比较年轻呢?”
“这就要看目标人物有没有感受到真实的加速度了。”
周晨回答道:“如果感受到了加速度、惯性力,那么表明他在绝对运动,这是一个重要的判断时间走势的分界线!”
“谢谢周老师,我明白了!”胖男生一脸感激地道。
接下来教室安静了片刻,这时物理学系一个年轻的副教授站起来准备提下一个问题,这位副教授是凝聚态物理方面的学者,这次来听周晨的选修课,可算是跨专业发展。
只见他略微思考,谦逊的说道:“周老师你好,我们都知道你有一篇《论黑洞热力学定律》的文章在理论界引起了比较大的轰动,这是我们北师大及物理学系的荣誉,我要问的问题就是与这方面有关。”
“请讲。”周晨微笑说道。
“是这样,霍金认为黑洞是有温度的,而且证明了黑洞存在热辐射,那么我想问的是,目前探测黑洞的主要方法是什么,是通过观测黑洞散发出来的辐射吗?”
“首先非常感谢你提的问题是在我的专业方向上的。”
周晨笑了笑,没有太多思考便道:“理论界现在虽然已经证实黑洞确实有温度,但黑洞的温度其实是非常低的,大约只有10的负6次方,这个温度甚至比宇宙微波背景辐射的2.7K还要小很多个数量级,所以它产生的辐射也是非常弱的,通过直接观察黑洞产生的霍金辐射这条路肯定行不通。”
“目前对黑洞的观测,一般通过研究一些物质被黑洞吸收时所产生的激烈效应,但遗憾的是中子星也会有相类似的效应,所以目前来说对黑洞进行直接观测,还是存在问题的。”
那名年轻副教授点了下头,他接着道:“我还有第二个问题,因为黑洞一直存在黑体辐射,我们假设能量守恒定律能够一直存在,那么黑洞会不会存在一个终点,到最后它会从宇宙中消失?”
周晨回答:“是的,黑洞在经历辐射之后会变小,而且黑洞的热容量是负的,它越是放出热辐射,它的温度就会越高,而温度升高,它的辐射会越强,这是一个恶性循环,所以对小黑洞来说,它的热平衡一旦打破,辐射过程会非常剧烈,它会炸掉。而对于大黑洞来说,因为辐射对于它的整体来说可以忽略不计,所以还是一个相对稳定的结构。”
“感谢你的回答!”那名年轻教授点了点头道。
“不客气!”周晨淡淡微笑。
下了课,走在北师大的校园里,不知为何天空中总有乌鸦在盘旋,有时还落在两侧的毛白杨树上,远远望去就像一尊尊哑铃,令人倍感诧异。
这是北师大的常景了,时间一久,也就会习惯这种景象。
就在周晨漫步于校园中时,一个电话打来,那是物理学系主任岑先安的电话。
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