参宿四,今天你炸了吗?

作者: ArtistET

来源: 公众号:⽯头科普⼯作室

发布日期: 2023-10-23 12:54:55

本文讨论了参宿四可能的超新星爆发以及相关的时空观问题,介绍了牛顿的绝对时空观和爱因斯坦的相对时空观,并通过光年的定义和光锥的概念解释了信息传递和因果关系在相对论中的重要性。

参宿四即猎户座α星,是⼀颗距离地球约724光年的红超巨星;近年来,她是⼿机新闻上的常客,众⼈津津乐道的,莫过于她那多变的“性情”,犹如宇宙中的星芒,变幻莫测,令⼈留连忘返。

在关于参宿四何时发⽣超新星爆发的讨论中,我们经常能⻅到的⼀种⾔论便是:“或许参宿四已然爆发,只是其辉煌光芒还未抵达地球。”那么,这种说法是否正确呢?要回答这个问题,我们需要先进⾏⼀些必要的背景介绍。我们先要探讨⽜顿的绝对时空观和爱因斯坦的相对时空观。

经由⼴泛的⼤众科普和学前教育,艾萨克·⽜顿发现万有引⼒的故事已经⼈尽皆知;但作为真正伟⼤的数学家,⽜顿对科学的贡献远不⽌于此。在1687年,⽜顿创作并⾸次出版了他最为重要的著作《⾃然哲学的数学原理》,这本书被誉为科学领域最伟⼤的著作之⼀。

绝对时空观简介

在这本著作中,⽜顿给出了经典⼒学的⼋⼤定义,建⽴了经典⼒学完整的公理化体系;解释了⼋⼤定义后,他在附⾔中留下了这样的词语:“我没有定义时间、空间、所处和运动,因为它们是为⼈所熟知的。唯⼀需要说明的是,⼀般⼈除了通过可感知的客体外⽆法想象这些量,并会因此产⽣误解,为了消除误解,可⽅便地将这些量分为绝对的和相对的,真实的和表象的以及数学的和普遍的。”

⽜顿对绝对的时间、空间、所处和运动给出了⾃⼰的定义,也奠定了经典⼒学所适⽤的时空范围,即绝对时空。在绝对时空中,绝对时间与绝对空间是单独的,互相没有直接关系,于斯,空间寂静绝对,时光匀均绝对;时间度量不随参考系变化,⻓度度量也与视⻆⽆关。可以如此理解:空间犹如物质华彩的舞台,⽽时间则似墙上的挂钟,其影不触,两者共筑物质秩序;这⼀观点,主导了此后数百年内物理学家甚⾄天⽂学家的思维模式。

19世纪末期,经典物理学发展接近顶峰,⼈们确信波的传播依赖于介质,如⽔波赖⽔、⾳波须倚⽓;随着光的波动理论盛⾏,⼈们为了解释光的传播⽅式,提出了⼀个叫做“以太”的媒介。这个以太被认为存在于绝对空间中,帮助我们理解光的⾏为。

迈克尔逊-莫雷实验,也被称为以太漂移实验,扮演了检验⽜顿的绝对时空观念的重要⻆⾊。其主要⽬的是测量地球相对于绝对空间的移动速度。然⽽,令⼈奇怪的是,在两次实验中,光波传播时未显示出相位差,结果似乎是零。这令⼈疑惑,因为我们知道地球围绕太阳公转的速度超过了30公⾥每秒,所以它显然不可能静⽌在所谓的以太中。这⼀实验结果对⽜顿的绝对时空观受到了巨⼤的挑战。

相对时空观简介

当绝⼤多数物理学家竭⼒试图解决“以太”理论的重⼤困难时,爱因斯坦在他的《论动体的电动⼒学》⼀⽂中呈现了狭义相对论,提出了崭新的时空观:狭义相对论告诉我们,时间和空间间隔是相对的,同时发⽣性也是相对的;唯⼀绝对不变的是物理定律和真空中的光速,这叫做相对性原理。从数学上讲,光速是通过下式计算得来:

这⼀计算过程基于经典电动⼒学;由于相对性原理的规定,不论任何参考系下物理定律不变,因⽽电动⼒学也不发⽣变化,基于此计算出的光速⾃然也就不变了。

从科学的⻆度来说,这⼀理论提出了相对性原理与光速不变原理,否定了伽利略变换下的绝对时空观。这⼀理论解决了“以太”理论的难题,因为在相对论的视⻆下,以太根本不存在。实际上,迈克尔逊-莫雷实验恰好证实了狭义相对论。在这⼀新的相对时空观中,时间与空间紧密相连,它们都会随着不同的参考物⽽变化。

狭义相对论对时空相对性的解释,重点在于时间延缓效应和尺度缩短效应,其公式如下:

其中,这个最常出现的东⻄被定义为洛伦兹因⼦γ:

作为拓展,我们来说明⼀下如何通过光速不变原理理解时间延缓效应。

假设现在有⼀⻜船从地球与⼀束光同时同向出发,⻜船上与地球上各有观测者A与B,⻜船速度v接近光速。

现在,于地球上的观测者B发现:由于⻜船速度极为接近光速,光经过了极⻓的时间才将差距拉开到⼀定的距离d,可以计算该时间为:

与⻜船上的观测者A则发现,光相对于其的速度仍为c,同样拉开距离d⽤时如下:

显然:t2<t1,对于发⽣同⼀事件所经历的同⼀段时间?t,A与B感受到的时间⻓度不同,近光速状态下的A感受到的时间t2远⼩于近静⽌状态下B感受到的时间t1,时间的流动速度变慢了,此即时间延缓效应。这⼀效应有⼒地说明了不同参考系下时空度规不同的事实。

关于这两个重要效应尺度缩短效应及绝对时空观、相对时空观的介绍,⽹上已经有很多了,这⾥仅做知识铺垫,不再赘述,下⾯我们进⼊正题。

相对时空下的宇宙

显⽽易⻅,在⼴袤的宇宙中,巨⼤的尺度和显著的引⼒效应使得⽜顿的古典⼒学不再适⽤,我们进⼊了相对论的领域,因此需要采⽤相对时空观。

⾸先,我们给出光年的定义:光年(light year)是⼀种⻓度单位,表示光在真空中传播⼀儒略年(约365.25天)所经过的距离,这个距离约等于9.46×10^12千⽶。这是⼴为⼈知的定义。对于宇宙中的⼤多数天体,我们通常⽤光年来表示它们与地球的距离。举个例⼦,前⽂提到的参宿四,距离我们约724光年;还有⼤家熟知的“天关客星”,即蟹状星云,距离我们⼤约是6.5±1.6千光年。

https://www.cdstm.cn/theme/hellosky/201202/t20120203_452125.html

以它为例,它的前身超新星SN 1054在公元1054年观测到,假设它距离地球精确地为6500光年,那么到今天(公元2023年),请问它有多少岁了?

⼤多数⼈都能轻松地回答这个问题:6500+2023-1054=7469(岁)

这个答案的前提显⽽易⻅:我们与⽬标天体处在同⼀个时间下,⼆者经历的时间完全相同,只是因为距离太远,导致我们看到的信息有⼀些滞后。这个表述,⾮常符合⽜顿的绝对时空观。

在狭义相对论中,光速不变,⽽光速c也代表了宇宙中信息传递的最⼤速度。需要明确:在这⾥,信息不仅仅指通信信息,还包括宏观的所有过程和变化,以及它们对宇宙的影响,由此可以引出⼀个新的概念:光锥。光锥的概念是相对论中解释因果关系和信息传递的基础之⼀。它强调了信息的传播速度受到光速的限制,以及事件之间的因果联系如何随着信息的传播⽽建⽴。这⼀观点深刻地改变了我们对时间和空间的理解,使其适应了相对论的观念。

光锥(YanTTO)

由此,我们可以得出⼀个结论:相对时空的框架下,每个观察者和每个位置都拥有独特的时间流逝,我们所看到的遥远天体实际上是按照我们的时间标准呈现的“当下”状态。换句话说,对于我们来说,我们所观察到的就是“现在”。

因此,以蟹状星云为例,我们并没有看到6500年前的蟹状星云,因为这将是⼀种基于经典时空观的幻觉,即“现在的蟹状星云”。

不同波段下的蟹状星云(NASA)

相反,我们可以理解为:相对于我们,蟹状星云的时间相对滞后了6500年,同时相对于蟹状星云,我们的时间也滞后了6500年。所以它的年龄实际上就是:2023-1054=969(岁)

这种说法可能听起来有点复杂,但可以简单地理解为:⽆论什么事物的演化状态,对于我们来说都是与我们所观察到的样⼦相吻合的。这解答了⼀开始的问题:我们没有观测到参宿四的爆炸,因此可以认为它并未发⽣。

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