世界線
粒子在四維時空中的運動軌跡
世界線(World line)是美國物理學家 阿爾伯特·愛因斯坦於其1905年論文《論動體的電動力學》中提及的概念。他將時間和空間合稱為四維時空,粒子在四維時空中的運動軌跡即為世界線。一切物體都由粒子構成,如果我們能夠描述粒子在任何時刻的位置,我們就描述了物體的全部“歷史”。想象一個由空間的三維加上時間的一維共同構成的四維空間。由於一個粒子在任何時刻只能處於一個特定的位置,它的全部“歷史”在這個四維空間中是一條連續的曲線,這就是“世界線”。一個物體的世界線是構成它的所有粒子的世界線的集合。
在物理學上,世界線是物體穿越四維時空唯一的路徑,因加入時間維度而有別於力學上的“軌道”或“路徑”。
“世界線”意味著所有粒子的歷史已經給定,再也不會被改變。事件一旦發生,即表明身體上的每一個原子的世界線都已經固定,無論我們再做什麼都不會重新改變(事實上我們所做的仍然是固定的)。
在閔可夫斯基圖中,物體的整個生命史可表示為一根蜿蜒的線,即世界線。世界線永遠從過去走向未來(在標準閔可夫斯基圖中‘指向紙面上方’),而通過空間的運動則用線的左右擺動方式來表示。但這根線必須永遠保持在其自身的未來光錐內,這對應著空間運動速率低於光速。在弦理論中,基本弦和環掃出世界線的二維對應物,即稱為世界膜的時空徑跡;於是世界膜的相互作用方式被認為決定了基本粒子。
在物理學中,一個物體的世界線是對象在4維時空的路徑,跟蹤其在空間的位置的歷史在每個時間瞬間。 “世界線”的概念是從“軌道”或“軌跡”的概念可分辨(如在空間中的軌道或道路地圖上的一卡車的軌跡)的時間維度,並且通常包括一個大面積的時空感知其中直線路徑重新計算,以顯示自己的(相對)更多的絕對位置的狀態 - 揭示了狹義相對論和引力相互作用的性質。世界行的想法起源於物理學,並率先由赫爾曼·閔可夫斯基。這個詞現在最常用的相對論理論(即狹義相對論和廣義相對論)。
然而,世界線是表示事件的過程的一般方法。它的使用不綁定到任何特定的理論。因此,在一般使用中,世界線是個人的人類活動(時間和地點的尺寸)的,標誌著一個人的歷史的順序路徑 - 也許開始的時間和地點一個人的出生到一個人的死亡。船舶的日誌是船舶的世界線的說明,只要它包含附著到每個位置一個時間標記。世界線允許一個計算船的速度,給定距離的測量(所謂的度量)適合於地球的彎曲表面。
使用物理
在物理學中,一個對象的世界線(近似為空間中的點,例如,顆粒或觀察者)是對應於所述對象的歷史時空事件的順序。的世界線是一種特殊類型的曲線時空。下方的等價定義加以說明:一個世界線是時空中一個類時曲線。世界線的各點是可以帶有時間和對象的時刻的空間位置的事件。
例如,地球的空間軌道是大致圓形,三維(封閉)曲線在空間:地球每年返回到同一點空間。但是,到達那裡在不同的(後下)的時間。地球的世界線是螺旋時空中(在四維空間中的曲線),並且不返回到相同的點。
時空是稱為事件的點的集合,連同一個連續和光滑的坐標系統確定的事件。每個事件可以通過標記四個數字:一個時間坐標和三個空間坐標;因而時空是一個四維空間。為時空數學術語是四維歧管。這個概念可以應用於以及到更高維空間。對於四個維度容易可視化兩個空間坐標往往抑制。該事件,然後通過在一個閔可夫斯基圖,它是一個平面,通常標繪的時間坐標,一個點代表說噸,向上和空間坐標,水平例如x。所表達F.R.哈維
在[時空]曲線M被稱為粒子的世界線,如果其正切在每個點的未來類時。該弧長參數稱為適當的時間,通常表示為τ。 M的長度被稱為世界線或粒子的適當時間。如果世界線M是線段,則粒子被說成是在自由下落。
一個世界線描繪出的時空單點的路徑。的世界片是類似二維表面描繪出由一個一維線(象string)通過時空旅行。一個開放的字元串(與有始有終)世界表是條;一個封閉的串(一個循環)的是一個卷。
一旦該對象不近似為一個單純的點,但已擴展體積,它描繪出不是世界線,而是一個世界管。
世行作為一種工具來描述事件
不僅粒子的歷史可以構成世界線,一些人為定義的“東西”的歷史也可以構成世界線,比如說影子和光斑。這些點雖然不是真正的粒子,但它們是由真實的粒子來決定的,因此它們的“歷史”也構成世界線。
當然,“世界線”並不能禁止我們回到過去,如果能夠造出時間機器,我們還是能夠回到過去的,但即使我們能自由地穿梭時空,也只能沿著既定的軌跡。還有一種說法是,當我們回到過去,為了避免時間悖論的產生,我們有可能成為過去歷史的旁觀者,對過去發生的一切,我們只能觀看,而無法干預。但是這些僅僅是猜測而已。
如果有關“世界線”的命題成立,那麼,所有有關時間機器和時間旅行的因果反常的討論,就只能作為有趣的科幻小說或自相矛盾的廢話,必須從嚴肅的物理學研究中排除掉了。
但並沒有任何理論證明了時間機器不存在,甚至有理論支持時間機器的存在,但如果時間機器真的能夠存在,它會導致時間悖論的產生,對於世界的發展與改變,也是件非常嚴重的事。