芥子空间,空间是如何产生的?
宇宙的构造:《什么是空间 》上
空间是什么?假如把一切物体都移走,只剩下空无一物的空间,看起来好像什么都没有,但却隐藏了一个物理学最深奥的难题之一,什么是空间?其实在我们习以为常的现实世界之下,还存在着另一个令人惊叹的世界,在这里我们对于宇宙的大部分理解都是错的,但是为什么会这样呢?对于我们熟悉的事物,我们为何错的如此离谱?这确实让你很讶异,这是一个全新的观点,因为它开启了一个具有无限可能的新世界。
图注:银河系
空间是真实存在的吗?
我们一般认为我们的世界充斥着各种物体,比如高楼大厦和私家车,公交车和人群,这些组成我们世界的物体,重要但却不神秘,我们的空间容纳了万物,让我们设想一下,如果你把周围的一切物体移走,是指所有的物体,你周围的人,你的手机,身旁的汽车和建筑物,不仅是地球上的物体,地球本身也被移走,把行星、恒星以及星系也全部移走,不光这些,还包括那些最微小的气体分子和粉尘,还会剩下什么?你可能会说"什么都没有",这么说是对的,但其实也是错的,因为还留下了空无一物的空间,空荡荡的空间也不是什么都没有,空间本身就是一种事物,跟我们日常生活中的事物一样,只是空间具有不易察觉的特性,但空间是真实存在的,你可以使它弯曲,也可以使它扭曲,甚至可以使它震荡,这空荡荡的空间帮助我们塑造了这个世界,并且构成了宇宙的基本构造,但我们通常意识不到空间的存在,就像鱼儿很可能也认识不到水的存在,因为它们一直生活在水里。
图注:弯曲震荡的空间
当你抬头望向太空的时候,你会发现空间无处不在,你可以说空间充斥着整个宇宙,甚至最小的物体,比如原子,在我们周围的这个世界,原子是组成万物最基本的单位,即使是原子,其大部分也是由空无一物的空间组成,如果你取出上海中心大厦中所有水泥、玻璃、钢铁等原子内的空间,剩下的就是一小块,大概只有米粒大小的物质,但它的重量可能达到上亿公斤,大厦剩余的尺寸都只是空荡荡的空间。所以你可能会问了空间到底是什么呢?且听我慢慢分析。
图注:现代物理学之父牛顿
经典力学下的绝对时空观
几个世纪以来,科学家们一直在孜孜不倦的探索,而问题的关键在于区分有和无的本质,所以科学家们提出了一套关于空间的大胆而新颖的描述,现代科学之父牛顿是这样描述空间的:"空间就是一个空旷的舞台",在牛顿看来,空间就像是一个框架,宇宙的一切都在这里发生,万物在这里更替,并且牛顿的"舞台"是消极的,绝对而永恒,始终不变,换句话说,就是我们并不能影响空间,同样空间也不能影响我们,通过这样描述空间,牛顿得以描述整个世界,永恒不变的"舞台理论"使他理解,他能够看到的几乎所有的运动形式,这些灵活的理论可以预示一切,小到苹果落地,大至地球围绕太阳的运行轨道,至今我们仍然沿用,这些屡试不爽的理论,为我们的行为提供指导,不管是发射卫星,还是为飞机导航,这些理论都建立在一个绝对的理念之上:空间是真实存在的。即使你看不到它,闻不到它,也无法触摸到它,但空间就是真实的,客观存在的事物,空间为事物的运动提供了一个基准。
图注:接近光速运动飞船
光速不变原理
牛顿的"舞台理论"是一个伟大的创举,两百多年来使它一直备受人们的瞩目,但是在二十世纪的上半叶,一种新的理念从根本上击碎了牛顿的"舞台理论",这种理论的创始人就是当时工作在瑞士邮政局的小职员名字叫做阿尔伯特▪爱因斯坦,爱因斯坦出身于19世纪晚期,那时电气革命刚刚开始,电的力量照亮大都市,同时刺激了各项技术的发展,但所有的这些科技进步都涉及到同一个事物,一个令年幼的爱因斯坦深深着迷的事物:光,令爱因斯坦最迷恋的是光的一个诡异特性:光速,也正是这点让爱因斯坦颠覆了牛顿的空间学说,举个例子,当你坐在一辆以30千米/小时行驶的车上,在这时你打开车灯,你会认为光的速度等于车速加上光速,但实际情况并不是这样,光的速度仍然约为30千米/秒,而这就是光速不变原理,无论相对于何种事物,光速永远不变,但为什么会这样呢?
图注:扭曲的时空
狭义相对论下的时空观
我们都知道速度是物体在空间中随着时间移动的度量单位,因此爱因斯坦想出了一个绝妙而大胆的解释,即空间和时间可以协同工作,以保证光速的绝对恒定,所以不管你跑多快,当你测量光速时,空间和时间相互协调,使光速总是保持在约30万千米/秒,为了保证光的绝对性质,时间不是绝对不变的,空间也不是绝对不变的,并且空间和时间会以一种特殊的方式,相互影响,相互配合,你可能会问,为什么我们在现实生活中看不到这样的情况,那是因为我们运动的速度太慢了,还不足以看到这种变化,
图注:距离收缩公式
图注:时间膨胀公式
但是如果一辆汽车可以以接近光速的速度前进,你就能明显感觉到这种变化,并且越接近光速,变化越明显,举个例子,当你坐在以光速的速度前进的汽车中,你向车窗外看时,你会发现空间在变化,别人看到你只会有几毫米那么长,同时会发现你的动作变得异常缓慢,就像静止了一样,但是从你自身的角度来看,你感觉你的身体和汽车也是正常的,时间也是正常的,你向车窗外看时,你会发现空间在飞速变化,而所有的这一切都是为了保持光速的恒定,因为根据爱因斯坦的观点时间和空间不再是严格的和绝对的,相反他们在运动中相互融合,这就是我们熟知的"时空"。
图注:凹陷空间下相互作用的引力
引力—时空的另一种表现
在爱因斯坦理论指导下,这种对空间的全新诠释,将会是我们解决一个深奥的难题,一个涉及宇宙中最基本的力的难题—引力,从万有引力定律我们知道引力使物体相互吸引,但是引力是如何作用于物体的,牛顿力学无法解释这个问题,在被这个问题困扰了十几年后,爱因斯坦得出了一个惊世骇俗的理论,引力的奥秘隐藏在空间本质之中,空间比他预想的更加具有可塑性,爱因斯坦空间能够像真实物体一样伸缩,让我们设想一下,时空就像是一张橡胶毯,我们把一个质量大的大球放在这个可伸缩的橡胶毯上,在旁边放一个的小球,我们就会发现小球就会沿着大球产生的凹陷结构运动,而爱因斯坦认为,这就是产生引力的真正原因,它是因为物体扭曲时空造成的,换句话说,引力就是时空的另一种表现形式。
图注:引力波
在牛顿描述下的空间是绝对不变的,爱因斯坦却用动态的眼光来看待它,描述它,时间和空间相互交织,共同作用,支配着物体的运动,空间在也不被人认为是一个静止的空间,它就像一个演员,在宇宙的大剧场里面,引领着舞台!
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小说里的芥子空间是怎样得来的?
这是由佛经上“须弥藏芥子,芥子纳须弥”中想像出来的……
在我们的宇宙空间内?
基本粒子是宇宙中最小的已知构造块。人们认为它们没有内部结构,从理论上研究人员将它们视为零维的点。电子可能是最熟悉的基本粒子,但是描述粒子和几乎所有力的相互作用的物理学标准模型包含10个基本粒子。
上图:标准模型
电子和相关粒子电子是原子中带负电荷的成分。尽管它们被认为是零维点粒子,但电子本身却被其他虚构的粒子围绕着,这些虚粒子不断地闪烁着存在和消失,它们实际上是电子本身的一部分。一些理论预测,电子具有一个轻微的正极和一个轻微的负极,这意味着这些虚粒子云应该因此有点不对称。
如果是这样的话,电子的行为可能会不同于其反物质正电子,从而有可能解释有关物质和反物质的许多奥秘。但是物理学家已经反复测量了电子的形状,并据所知发现它是完美的圆形,这使它们对反物质之谜失去了一条线索。
电子有两个较重的表兄弟,称为μ子和τ子。当来自外太空的高能宇宙射线撞击地球大气层时,会产生μ 子。τ子比电子重3400倍,甚至更稀有且更难生产。
中微子、电子、μ子和τ子构成一类称为轻子的基本粒子。
夸克及其古怪的家族构成质子和中子的夸克是另一种基本粒子。夸克与轻子一起构成了我们认为是物质的东西。
曾几何时,科学家认为原子可能是最小的物体。这个词来自希腊语“ atomos”,意思是“不可分割”。在20世纪初,原子核被证明由质子和中子组成。然后,在整个1950年代和60年代,粒子加速器不断揭示出一系列奇特的亚原子粒子,例如Pi介子和K介子。
根据加利福尼亚SLAC国家加速器实验室的历史报告, 1964年,物理学家Murray Gell-Mann和George Zweig分别提出了一个模型,该模型可以解释质子,中子和其余粒子的内部工作原理。质子和中子是由被称为夸克的微小颗粒构成,有六种可能的类型或“味”(术语叫“味”):上、下、奇、魅,底和顶。
费米子是一类基本粒子。它们很小,很轻。费米子可以被认为是物质的组成部分,因为原子是由费米子组成的。保罗·狄拉克(Paul Dirac)将它们命名为费米子,以纪念著名科学家恩里科·费米(Enrico Fermi)。上图:夸克可以组合成各种符合粒子
质子由两个上夸克和一个下夸克组成,而中子由两个下夸克和一个上夸克组成。上下夸克是最轻的夸克。由于质量更大的粒子趋向于分解成质量较小的粒子,因此上下夸克在宇宙中也是最常见的。因此,质子和中子构成了我们所知道的大部分物质。
到1977年,物理学家已经在实验室中分离出六个夸克中的五个——上、下、奇,魅和底,但是直到1995年,伊利诺伊州费米实验室国家加速器实验室的研究人员才发现了最后一个夸克,即顶夸克。与后来搜寻希格斯玻色子的过程一样,寻找它的过程也非常艰难。顶夸克很难产生,因为它比上夸克重约100万亿倍,这意味着制造它的粒子加速器需要更多的能量。
力的基本粒子除开上述构成物质的粒子之外,接下来是构成基本力的粒子。自然界的四个基本力:电磁力,重力以及强弱核力,每个都有一个关联的基本粒子。
光子是最著名的,它们承载电磁力。
胶子携带强大的核力,并在质子和中子内部束缚夸克。
介导某些核反应的弱力由W和Z玻色子两个基本粒子承载。根据欧洲核子研究组织(CERN)的说法,中微子仅能与弱力和重力互动,它们会与这些玻色子相互作用,因此物理学家能够首先使用中微子为其存在提供证据。
重力在这里是局外人。尽管物理学家怀疑它可能具有一个相关的基本粒子,这被称为引力子,但它并未并入标准模型。如果存在引力子,则有可能在瑞士日内瓦的大型强子对撞机(LHC)上制造它们,但根据欧洲核子研究组织(CERN)的描述,它们会迅速消失到其他维度去,而在原地留下一个空白区域。到目前为止,大型强子对撞机还没有发现引力子或额外维度的迹象。
玻色子是一种具有整数自旋的粒子。(“ 自旋 ”是分配给质量的亚原子粒子)。玻色子携带能量。光子是玻色子的一个例子,因为它的自旋为1。玻色子不同于费米子,费米子是组成物质的粒子。玻色子服从Bose-Einstein统计。(这意味着您可以将它们中的两个同时放置在同一位置)。保罗·狄拉克(Paul Dirac)将该类粒子称为“玻色子”,以纪念著名科学家萨特恩德拉·纳斯·玻色(Satyendra Nath Bose)。
上图:模拟显示了在大型强子对撞机中两个质子碰撞时希格斯玻色子的产生。希格斯玻色子迅速衰变为四个μ子,这是一种重电子,未被探测器吸收。介子的轨迹以黄色显示。
希格斯玻色子最后是基本粒子之王希格斯玻色子,它负责赋予所有其他粒子以质量。搜寻希格斯玻色子是科学家努力完成其标准模型清单的一项重大工作。当希格斯终于在2012年被发现时,物理学家们欣喜若狂,但结果也使他们陷入困境。
希格斯玻色子的样子与预想的差不多,但科学家们希望了解更多。已知标准模型并不完整;例如,它缺乏对重力的描述,研究人员认为找到希格斯玻色子将有助于指出其他可以取代标准模型的理论。但是到目前为止,它们一无所获。
上图:希格斯玻色子与各种基本粒子的互动关系。
总结这里只是谈到已经发现了的基本粒子,而非所有基本粒子。这个宇宙还有很多未知的成分等待我们去发现。
为什么芥子空间用不了?
可能等级不够,努力修炼吧道友
芥子空间挂机好用吗?
好用不好用,你最好不要挂机,要是被发现你挂机可能封你号。