序言:微觀世界速度不變是所有慣性參考系的一致規律,四維平權是四維時空存在的重要前提。
透過前幾篇的描述,我們大致構建了時空的輪廓。由於使用了較多數學語言的描述,因此有些抽象、難以直觀理解。在本篇中,我們對於前述篇章中構築的時空使用較為形象和具體的語言進行描述,可以看作是對於本系列上半部分的一個總結。
首先我們來闡釋一下宇宙第四維度的運動,關於宇宙時空在第四維度擁有c的速度如何理解?我們可以降維思考:
對於一群生活在二維平面上的生物來說,如何讓它們能夠具備運動的能力?是否僅僅提供一個無邊無際的二維平面即可?答案是不行!如果只有一個二維平面,則在二維平面上面僅能夠存在二維生物的靜止畫像,畫像不可能僅在二維平面上完成自我活動和到處遊走。一隻二維生物想要揮動自己的手臂時,發現無法穿過擋在手臂旁邊的身體;那麼二維生物如何運動呢?只能在第三個維度上面進行整體重繪。想像一下我們用一疊紙繪製的一小段動畫:在第一頁上畫一隻完整的卡通人物;第二頁上再重新繪製一次,然後它的身體與第一頁相比發生了微小的形變;隨後是第三頁、第四頁...當我們以很快的速度翻閱這一沓紙時,紙上繪製的二維卡通形象就會動起來,形成一部完整的動畫短片。
擁有三維速度的二維小人
現在讓我們把維度恢復回來,那麼思考三維生物賴以生存的條件是什麼?三個維度的空間只能存放靜止的三維雕塑,若想讓三維生物運動起來,則需要一個與空間三維都正交地不斷運動的第四維度。正是在第四維度不斷地重繪操作,才使得三維空間的生物能夠運動和思考。從前面章節我們推匯出第四維度的運動速度正好是光速c。
那麼為何會存在四維平權現象?首先我們要先搞清楚時間究竟是什麼?時間是衡量運動的量度,目前最精確的時鐘是建立在原子或者鐳射震盪的基礎之上。是根據微觀世界中原子或者光的震盪次數來衡量時間。也就是說:目前我們所談論的時間,其本質上為微觀世界中的可測量的週期性變化的物理量。那麼我們在地球上靜止不動以及坐宇宙飛船旅行的時候,我們身上原子或者周圍發光物體 所處的微觀世界變化的物理量是可變的還是不變的?很明顯是不變的,如果是可變的,那麼我們在一個封閉的勻速運動空間很容易就可以知道自己是在運動還是靜止(透過觀測微觀世界的震盪頻率就可獲知)。所以在一個勻速運動的慣性參照系中,所有的微觀速度(包括核子聚變、裂變、衰變等等)都是恆定不變的(包括光速)。反過來說:如果一個物體開始運動之後,組成其元素的各類微觀世界速度如果發生變化,則該物體很難保持與外界的一致性(可以想象一下太陽在運動過程中氫元素聚變速度時快時慢,那麼應該很快就會解體,而很難保持始終如一的發光發熱)。因此:微觀世界速度不變是所有慣性參考系的一致規律,四維平權是四維時空存在的重要前提。
既然微觀世界的速度在每個參考系中是恆定不變的,那為何會存在不同慣性參考系之間的時間不一致現象呢?首先來說:時間膨脹和長度收縮效應是一種表觀現象(即觀測認為而不是真實存在)。從不同參考系觀察對方參考系,兩個參考系的觀察者都認為對方參考系的時間變長以及長度縮短。我們在前面解釋第四維度運動時引入了三維空間疊加的概念,由於第四維度速度恆定為c,此時我們可以將時間定義為疊加的三維塊的厚度。對於每一個慣性參考系中的觀察者,他認為的四維空間的疊加效果都是正交於自身的空間維度的時間維度;但當他觀察與其相對運動的另一參考系時,會發現另一參考系在於其同一空間平面上的疊加次數和疊加厚度要大於本參考系(因為直角三角形斜邊恆大於直角邊),此時觀察者會認為對方參考系的時間要慢於本參考系。由於觀察過程是相對的,另一參考系的觀察者也會做出同樣的判斷,這就是時間膨脹效應的相對性。時間變長了,光速又不變,那麼空間只能相應縮短。這也導致了時間膨脹、空間收縮效應的變化率(洛倫茲係數)在兩個慣性系之間是一致的。