如果要求你描述自己如何在宇宙中移動(dòng)，你可能會(huì)想到所有不同的方向，你都可以自由移動(dòng)。你可以向左或向右走，向前或向后走，向上或向下；就是這樣。這三個(gè)獨(dú)立的方向，用一個(gè)簡(jiǎn)單的坐標(biāo)方格來描述，描述了曾經(jīng)可以在空間中移動(dòng)的所有可能的方式，一旦條件具備，甚至可以在太空中移動(dòng)。
（像這樣的延時(shí)照片提醒我們，照片通常是特定時(shí)刻位置的快照，每一時(shí)刻都與上一時(shí)刻截然不同和獨(dú)特。在相對(duì)論中，時(shí)間不僅是一個(gè)坐標(biāo)，而且是一個(gè)維度。）
但這三個(gè)維度遠(yuǎn)非全部，第四個(gè)維度同樣重要，那就是時(shí)間。當(dāng)然，我們總是在不斷前進(jìn)，但它與任何空間維度一樣。當(dāng)然，我們總是在不斷前進(jìn)，但它與任何空間維度一樣。無論你說我們生活在一個(gè)四維宇宙描述的時(shí)空結(jié)構(gòu)，或一個(gè)3+1維宇宙，我們有三個(gè)空間加一時(shí)間維度，在物理上仍然正確的情況下，不能將這些實(shí)體彼此分離。讓我們?cè)囍斫鉃槭裁础?/p>
（這張?jiān)敿?xì)的、像照片一樣的地球視圖主要是基于美國宇航局的Terra衛(wèi)星上的中等分辨率成像分光輻射計(jì)（modis）的觀測(cè)結(jié)果。在像地球這樣的世界表面，只有兩個(gè)坐標(biāo)（例如緯度和經(jīng)度）可以定義一個(gè)位置。如果允許地下位置或地表以上位置，則還需要第三個(gè)空間尺寸。）
在大多數(shù)情況下，人類只生活在地球表面。當(dāng)我們想描述我們的位置時(shí)，通常只需要給出兩個(gè)坐標(biāo)：緯度和經(jīng)度。我們只需要這兩個(gè)值，這兩個(gè)值描述了我們?cè)诘厍蚰媳陛S和東西軸上的位置，因?yàn)榈谌S度是給定的：我們?cè)诘厍虮砻妗?/p>
但是，如果你愿意去地下或到地球表面上方的空氣中，你需要第三個(gè)坐標(biāo)來準(zhǔn)確描述你的位置：高度/深度，或者你在上下軸的位置。畢竟，與您位于完全一樣的緯度和經(jīng)度的人即具有相同的二維坐標(biāo)的人，可能在腳底下的地下隧道里或在你頭頂高空直升機(jī)上。它們不一定位于同一位置，你需要三個(gè)獨(dú)立的信息來精確定位你在空間的位置。
但即使兩個(gè)具有相同精確三維空間坐標(biāo)的不同物體也可能不會(huì)重疊。舉一個(gè)簡(jiǎn)單列子來幫組理解，假設(shè)你現(xiàn)在坐的椅子上，它的位置絕對(duì)可以用我們熟悉的三個(gè)空間坐標(biāo)（x、y和z）來準(zhǔn)確描述。然而，這把椅子現(xiàn)在正被你占據(jù)，此時(shí)，時(shí)間正是關(guān)鍵，而不是昨天、一小時(shí)前、下周或十年后。
（上圖說明：你在這個(gè)宇宙中的位置不僅用空間坐標(biāo)（在哪里）來描述，而且用時(shí)間坐標(biāo)（在什么時(shí)候）來描述。如果不同時(shí)穿越時(shí)間，就不可能從一個(gè)空間位置移動(dòng)到另一個(gè)空間位置。）
為了在時(shí)空中完整地描述一個(gè)事件，你不僅需要知道它發(fā)生在哪里，還需要知道它發(fā)生的時(shí)間。除了x、y和z，你還需要一個(gè)時(shí)間坐標(biāo)：t。雖然這看起來很簡(jiǎn)單，但直到愛因斯坦相對(duì)論的發(fā)展，當(dāng)物理學(xué)家開始思考同時(shí)性問題時(shí)，它才在物理學(xué)中起到很大的作用。想象一下，如果你愿意的話，兩個(gè)獨(dú)立的位置-一個(gè)點(diǎn)“A”和一個(gè)點(diǎn)“B”-通過路徑連接。
假設(shè)你有一個(gè)人從A開始，而另一個(gè)人從B開始，他們各自朝著另一個(gè)點(diǎn)移動(dòng)。你可以通過在A和B上各放一根手指，然后“走”到各自的目的地，來可視化每個(gè)手指的位置。從A開始的人不經(jīng)過另一個(gè)人就無法到達(dá)B，從B開始的人不經(jīng)過第一個(gè)人就無法到達(dá)A。
（上圖說明：您可以選擇任意兩個(gè)點(diǎn)，并繪制連接它們的一維（線性）路徑。如果你要求某人在從A點(diǎn)到B點(diǎn)的同時(shí)從B點(diǎn)走到A點(diǎn)，那么在時(shí)空中總會(huì)有這樣一個(gè)事件：兩個(gè)旅行者在所有四個(gè)維度中都占據(jù)同一個(gè)點(diǎn)：他們將在完全相同的時(shí)間占據(jù)相同的空間位置。）
想象一下，你有一個(gè)人從A開始，而另一個(gè)人從B開始，他們各自向另一個(gè)點(diǎn)開始。您可以通過將每只手的手指放在 A 和 B 上，然后'行走'到各自的目的地來可視化每個(gè)手指的位置。從A開始的人不可能不經(jīng)過對(duì)方到達(dá)B，從B開始的人也不可能不經(jīng)過第一人就到達(dá)A。
換句話說，為了讓每個(gè)人到達(dá)目的地，需要有一個(gè)時(shí)刻，你的兩個(gè)手指同時(shí)占據(jù)同一個(gè)位置。在相對(duì)論中，這被稱為同時(shí)事件：兩個(gè)不同物理物體的所有空間和時(shí)間坐標(biāo)重疊。這不僅沒有爭(zhēng)議，而且在數(shù)學(xué)上是可以證明的。
（如果你將一個(gè)網(wǎng)球落在堅(jiān)硬的表面上，它會(huì)反彈回來。為了描述像網(wǎng)球這樣的“粒子”的位置，你必須正確地解釋它在宇宙中的運(yùn)動(dòng)，這不僅需要有關(guān)它的空間位置的信息，而且還需要這個(gè)位置隨時(shí)間的演化。只有將時(shí)間坐標(biāo)和三個(gè)空間坐標(biāo)結(jié)合起來，我們才能準(zhǔn)確地描述物體在宇宙中的運(yùn)動(dòng)。）
這個(gè)思維實(shí)驗(yàn)解釋了為什么時(shí)間需要被視為我們所經(jīng)歷的維度，正如我們的空間維度是我們所經(jīng)歷的維度一樣。然而，并不是愛因斯坦把空間和時(shí)間放在一起，形成了一個(gè)單一的公式，使它們無法分離。相反，是愛因斯坦的前教授赫爾曼·明可夫斯基發(fā)現(xiàn)了這兩個(gè)實(shí)體是多么不可分割。
在愛因斯坦首次提出他的狹義相對(duì)論后不到三年，明科夫斯基用精辟的推理方式證明了該理論的統(tǒng)一性。如果你想在太空中移動(dòng)，你不能立即完成；你必須從你現(xiàn)在所處的位置移動(dòng)到另一個(gè)空間位置，在那里你只會(huì)到達(dá)未來的某個(gè)點(diǎn)。如果你現(xiàn)在在這里，你不能在同一時(shí)刻在其他地方，你只能晚些時(shí)候去。在太空中移動(dòng)也需要你穿越時(shí)間。
（上圖說明：生動(dòng)地觀察時(shí)空在質(zhì)量移動(dòng)時(shí)的反應(yīng)，它有助于從質(zhì)量上準(zhǔn)確展示，它不僅僅是一網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，而是所有空間本身被宇宙中物質(zhì)和能量的存在和特性所彎曲。請(qǐng)注意，只有我們不僅包括大質(zhì)量物體的位置，而且包括整個(gè)時(shí)間的質(zhì)量位置，才能描述時(shí)空。瞬時(shí)位置和該物體所在的過去歷史決定了在宇宙中移動(dòng)的物體所受的力。）
愛因斯坦1905年出版的狹義相對(duì)論所闡述的是，一個(gè)人通過空間的運(yùn)動(dòng)與一個(gè)人通過時(shí)間的運(yùn)動(dòng)之間的定量關(guān)系。它告訴我們，真空中的光速是一個(gè)普遍的速度限制，當(dāng)你接近它時(shí)，你會(huì)體驗(yàn)到長(zhǎng)度收縮和時(shí)間膨脹的奇異現(xiàn)象。
但是，當(dāng)明可夫斯基在數(shù)學(xué)上認(rèn)識(shí)到時(shí)間的運(yùn)動(dòng)與空間的運(yùn)動(dòng)完全一樣時(shí)，他向前邁出了一大步，除了兩個(gè)附加的乘法因子：c，真空中的光速，i，虛數(shù)√（-1）。在第一次完成了時(shí)空推導(dǎo)之后，閔可夫斯基講授了：
（光錐的一個(gè)示例，即所有可能到達(dá)和離開時(shí)空點(diǎn)的光線的三維表面。在空間中移動(dòng)的越多，隨時(shí)間移動(dòng)的越少，反之亦然。只有你過去光錐中所含的東西才能影響你今天；只有你未來光錐中所包含的東西才能被你感知到。）
當(dāng)你把這些啟示放在一起時(shí)，它會(huì)導(dǎo)致一個(gè)與你根據(jù)舊牛頓的絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)間的概念所直觀的宇宙截然不同的宇宙圖景。特別是當(dāng)你在宇宙中移動(dòng)時(shí)，你將體驗(yàn)到空間和時(shí)間如何為你而流逝的變化。
（由光子在兩個(gè)反射鏡之間反彈形成的光時(shí)鐘將為任何觀察者定義時(shí)間。盡管兩位觀察者可能在時(shí)間流逝的問題上意見不一致，但他們將在物理定律和宇宙常數(shù)（如光速）上意見一致。一個(gè)靜止的觀測(cè)者會(huì)看到時(shí)間正常地通過，但是一個(gè)在空間中快速移動(dòng)的觀測(cè)者的時(shí)鐘相對(duì)于靜止的觀測(cè)者會(huì)慢一些。）
當(dāng)你研究這些考慮的物理含義是什么時(shí)，它們簡(jiǎn)直令人吃驚。你可以了解到所有無質(zhì)量粒子都是內(nèi)在穩(wěn)定的；因?yàn)樵谒鼈兊膮⒄障抵袥]有時(shí)間對(duì)它們來說，它們永遠(yuǎn)不會(huì)衰變。產(chǎn)生的不穩(wěn)定粒子，即使壽命極短，其傳播距離也比你想象的要遠(yuǎn)得多，簡(jiǎn)單地將它們的速度乘以它們的生存時(shí)間。
例如，在大約60-100公里高空的高層大氣中創(chuàng)造的μ介子將到達(dá)地球表面，盡管它以接近光速移動(dòng)，在它衰變前，移動(dòng)距離將不足1公里，因?yàn)樗膲勖鼉H2.2微秒。這也意味著從相同開始的事物不一定會(huì)保持相同，列如一對(duì)雙胞胎，其中一個(gè)留在地球上，另一個(gè)在太空旅行，他們將以不同的速度老去，太空旅行中的雙胞胎回到地球時(shí)，發(fā)現(xiàn)自己比同胞胎年輕許多。
（馬克和斯科特·凱利在德克薩斯州休斯頓的約翰遜航天中心站在一起，其中一人在太空度過了一年（在國際空間站上），另一人留在地面上。實(shí)驗(yàn)的目的是測(cè)量在太空環(huán)境中對(duì)人體的影響。我們發(fā)現(xiàn)，在太空中旅行的行為，甚至在低地球軌道上，使乘坐空間站的雙胞胎在返回地面時(shí)稍微年輕一些。）
你不能把空間和時(shí)間分開對(duì)待，因?yàn)樗鼈兪遣豢煞指畹穆?lián)系在一起的；在一個(gè)空間中移動(dòng)會(huì)影響你在另一個(gè)空間中的運(yùn)動(dòng)，而不管你的時(shí)空固有的任何其他屬性。今天，狹義相對(duì)論已經(jīng)被廣義相對(duì)論所取代，廣義相對(duì)論也包含了空間本身固有的曲率。不管你所居住的宇宙的性質(zhì)如何，你在空間和時(shí)間中的運(yùn)動(dòng)不能被分開對(duì)待；你需要它們一起來描述你的現(xiàn)實(shí)。
時(shí)間和空間一樣是一個(gè)很好的維度，無論你如何在空間中提升自己速度，你必須始終在時(shí)間中前進(jìn)。有時(shí)有人認(rèn)為我們的宇宙是3+1維的，而不是4維的，因?yàn)闀r(shí)間處于一個(gè)稍微獨(dú)立的基礎(chǔ)上：增加你在空間中的運(yùn)動(dòng)會(huì)減少你在時(shí)間中的運(yùn)動(dòng)，反之亦然。
（上圖說明：如果你知道控制一個(gè)物體如何穿越時(shí)空的所有規(guī)則，以及初始條件和物體與系統(tǒng)其余部分之間作用力的施加，你應(yīng)該能夠預(yù)測(cè)這個(gè)物體如何穿越時(shí)空。除了空間坐標(biāo)之外，如果不包括時(shí)間坐標(biāo)，則無法準(zhǔn)確描述對(duì)象的位置。）
也許愛因斯坦相對(duì)論最顯著的事實(shí)是，任何人，不管他們?nèi)绾蜗鄬?duì)于其他人在空間中運(yùn)動(dòng)，都會(huì)看到同樣的規(guī)律控制著他們?cè)诳臻g和時(shí)間中的運(yùn)動(dòng)。改變你在空間中的運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)你在時(shí)間中的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生可預(yù)測(cè)的影響和后果，當(dāng)你在相同的空間和時(shí)間坐標(biāo)中遇到另一個(gè)觀察者時(shí)，你們兩個(gè)都可以在那個(gè)時(shí)候就同時(shí)發(fā)生的內(nèi)容達(dá)成一致。
如果時(shí)間不是一個(gè)具有精確性質(zhì)的維度，狹義相對(duì)論將是無效的，我們無法構(gòu)建時(shí)空來描述我們的宇宙。我們需要時(shí)間作為一個(gè)無法從空間中分離出來的維度，以便物理能夠像它那樣工作。當(dāng)有人問你我們是否生活在三維宇宙中時(shí)，請(qǐng)驕傲地加上一個(gè)“+1”，并向時(shí)間致敬。
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