时空与四矢量
四速度
四速度是普通速度的相对论升级版。日常速度问的是:按某人的钟,你的位置每秒变化多少;四速度问的则是:按你自己的钟——也就是沿你世界线滴答前行的固有时——你的时空位置每秒变化多少。由于固有时是每位观察者都认同的量,由它构造出的四速度便是一个真正的四矢量,能在洛伦兹变换下干净地变换,而普通速度做不到这一点。
从几何上看,四速度是与你世界线相切的那支箭头,指向你在时空中前进的方向。一个静止物体的四速度笔直指向时间轴:它在空间中并不移动,却仍以满速「移动」着穿过时间。当物体在空间中加速时,这支箭头便朝空间方向倾倒,用它穿过时间的一部分运动,去换取穿过空间的运动——这也是理解「为什么飞快运动的钟会走得慢」的一种方式。
而令人惊讶的结论是:无论一个物体跑得多快或多慢,它四速度的闵可夫斯基长度永远恰好等于 c。万物都以光速穿越时空。当你静止不动时,全部这份「速度」都花在了穿越时间上;当你在空间中疾驰时,你把其中一部分分流到了侧向,留给时间的便少了。这个固定的总长度并非巧合,而是定义自身演绎出的结果,它正是「宇宙速度极限」与「时间膨胀」互为一体两面的几何缘由。
U^μ = dx^μ/dτ = γ(c, v_x, v_y, v_z); |U| = c always
四速度是位置对单位固有时的变化率;它的闵可夫斯基长度恒定为 c。
「万物都以光速穿越时空」这句口号,是记住 |U| = c 的一种生动方式,但它说的是四速度的性质,并不是说你普通的三维速度等于 c。光子是个特例:它们没有固有时,因此对它们而言四速度并无定义。
又称
另见