最近很火爆的流行词残影空间的”光锥之内就是命运”。光锥是指从一个世界散开的光在四维的时空里形成一个三维的圆锥。
为什么说:光锥之内就是命运?
首先,假设你点燃一支蜡烛,光会以不断膨胀的气泡形式向四周传播,而根据相对论,任何有质量的物体都无法超过光速,所以你永远都无法逃脱这个气泡。如果我们把目前的状态想象成二维空间的切片。这时的气泡就像是一个不断增大的圆圈,将这些圆圈堆叠起来就会形成一个锥形,这就是光锥。
而作为爱因斯坦相对论中最重要的结构,光锥影响着宇宙中最为根本的因果关系。假设距离地球很远的宇宙深处发生了一次超新星爆炸,而其爆炸的光锥在到达地球之前,该事件不会对我们造成任何影响,而我们也无法了解爆炸的任何信息,
只有当光锥到达地球时,我们才能看到此次的爆炸事件,这便是经典物理学的【因果律】。
在空间中,我们可以往任意方向移动,不会受到任何束缚。而在时间中,连续的光锥会迫使我们只能从过去走向未来,并永远无法回头。在相对论中,时间就是光锥的方向,而空间是和时间垂直的。在没有引力影响的宇宙区域中,它们的结构都是笔直的。时间和空间会形成对称的直线网格,所有光追的方向将会全部一致。假如在地球周围,当一个苹果受到地球的引力而向下坠落时,其引力不仅影响着物体本身,还影响着物体的光锥方向。因此,在一个大质量行星周围,光锥的方向会呈现弯曲状态,也就是说,时间也会向行星的中心弯曲,苹果之所以会坠落,是因为他的未来指向了地球。质量扭曲了时空的几何形状,使时间和空间变得相对,这就是爱因斯坦的广义相对论。当质量越大的物体,所弯曲的时空就越多。如果是一个引力无限大的物体,那么时空的弯曲也将会变得无限大。所有的光锥都会完全朝下。
如果我们在这里点燃一支蜡烛,所有的光锥都会落入这个物体的中心,这便是我们所说的黑洞。作为宇宙中拥有最大引力的类星体,其实空的曲律将所有物体都推向中心。如果我们将黑洞想象成二维切片,并在时空中形成一个圆柱体,它的边界就是事件世界,在视界以外部分光线可以逃逸,而在视界以内所有的光都无法逃脱。在黑洞中,光锥使任何物体的路径向下,时间本身就是指向黑洞的中心。
当一颗大质量恒星爆炸并瘫缩时,会发出最后一道光,同时也发出最后一个不断扩张的气泡。但在被恒星弯曲的时空中,从外面看,气泡似乎变成了静止了,于是就形成了一个黑洞,也可以说它是一个被时空区绿固定住的光锥,如果把扭曲的时空拉直,时间的方向从左到右流动,我们可以清楚地看到黑洞的视界形成了光锥。所以穿过视界后就只能像黑洞的中心坠落,因为那就是世界的未来。如果我们将图像压缩,就会看到黑洞的外部和内部形成了两个不同的区域,一旦我们越过视界,视界之外也就成了我们的过去,而通向起点也是任何物体在通过世界视界后的最终命运。
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