如果要求你描述自己如何在宇宙中移動，你可能會想到所有不同的方向，你都可以自由移動。你可以向左或向右走，向前或向后走，向上或向下；就是這樣。這三個獨(dú)立的方向，用一個簡單的坐標(biāo)方格來描述，描述了曾經(jīng)可以在空間中移動的所有可能的方式，一旦條件具備，甚至可以在太空中移動。
（像這樣的延時照片提醒我們，照片通常是特定時刻位置的快照，每一時刻都與上一時刻截然不同和獨(dú)特。在相對論中，時間不僅是一個坐標(biāo)，而且是一個維度。）
但這三個維度遠(yuǎn)非全部，第四個維度同樣重要，那就是時間。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四維宇宙描述的時空結(jié)構(gòu)，或一個3+1維宇宙，我們有三個空間加一時間維度，在物理上仍然正確的情況下，不能將這些實體彼此分離。讓我們試著理解為什么。
（這張詳細(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（modis）的觀測結(jié)果。在像地球這樣的世界表面，只有兩個坐標(biāo)（例如緯度和經(jīng)度）可以定義一個位置。如果允許地下位置或地表以上位置，則還需要第三個空間尺寸。）
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，通常只需要給出兩個坐標(biāo)：緯度和經(jīng)度。我們只需要這兩個值，這兩個值描述了我們在地球南北軸和東西軸上的位置，因為第三維度是給定的：我們在地球表面。
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，你需要三個獨(dú)立的信息來精確定位你在空間的位置。
但即使兩個具有相同精確三維空間坐標(biāo)的不同物體也可能不會重疊。舉一個簡單列子來幫助理解，假設(shè)你現(xiàn)在坐的椅子上，它的位置絕對可以用我們熟悉的三個空間坐標(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，時間正是關(guān)鍵，而不是昨天、一小時前、下周或十年后。
（上圖說明：你在這個宇宙中的位置不僅用空間坐標(biāo)（在哪里）來描述，而且用時間坐標(biāo)（在什么時候）來描述。如果不同時穿越時間，就不可能從一個空間位置移動到另一個空間位置。）
為了在時空中完整地描述一個事件，你不僅需要知道它發(fā)生在哪里，還需要知道它發(fā)生的時間。除了x、y和z，你還需要一個時間坐標(biāo)：t。雖然這看起來很簡單，但直到愛因斯坦相對論的發(fā)展，當(dāng)物理學(xué)家開始思考同時性問題時，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，兩個獨(dú)立的位置-一個點(diǎn)“A”和一個點(diǎn)“B”-通過路徑連接。
假設(shè)你有一個人從A開始，而另一個人從B開始，他們各自朝著另一個點(diǎn)移動。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，來可視化每個手指的位置。從A開始的人不經(jīng)過另一個人就無法到達(dá)B，從B開始的人不經(jīng)過第一個人就無法到達(dá)A。
（上圖說明：您可以選擇任意兩個點(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)的同時從B點(diǎn)走到A點(diǎn)，那么在時空中總會有這樣一個事件：兩個旅行者在所有四個維度中都占據(jù)同一個點(diǎn)：他們將在完全相同的時間占據(jù)相同的空間位置。）
想象一下，你有一個人從A開始，而另一個人從B開始，他們各自向另一個點(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手指的位置。從A開始的人不可能不經(jīng)過對方到達(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，為了讓每個人到達(dá)目的地，需要有一個時刻，你的兩個手指同時占據(jù)同一個位置。在相對論中，這被稱為同時事件：兩個不同物理物體的所有空間和時間坐標(biāo)重疊。這不僅沒有爭議，而且在數(shù)學(xué)上是可以證明的。
（如果你將一個網(wǎng)球落在堅硬的表面上，它會反彈回來。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，這不僅需要有關(guān)它的空間位置的信息，而且還需要這個位置隨時間的演化。只有將時間坐標(biāo)和三個空間坐標(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。）
這個思維實驗解釋了為什么時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間放在一起，形成了一個單一的公式，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)了這兩個實體是多么不可分割。
在愛因斯坦首次提出他的狹義相對論后不到三年，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，你不能立即完成；你必須從你現(xiàn)在所處的位置移動到另一個空間位置，在那里你只會到達(dá)未來的某個點(diǎn)。如果你現(xiàn)在在這里，你不能在同一時刻在其他地方，你只能晚些時候去。在太空中移動也需要你穿越時間。
（上圖說明：生動地觀察時空在質(zhì)量移動時的反應(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，而且包括整個時間的質(zhì)量位置，才能描述時空。瞬時位置和該物體所在的過去歷史決定了在宇宙中移動的物體所受的力。）
愛因斯坦1905年出版的狹義相對論所闡述的是，一個人通過空間的運(yùn)動與一個人通過時間的運(yùn)動之間的定量關(guān)系。它告訴我們，真空中的光速是一個普遍的速度限制，當(dāng)你接近它時，你會體驗到長度收縮和時間膨脹的奇異現(xiàn)象。
但是，當(dāng)明可夫斯基在數(shù)學(xué)上認(rèn)識到時間的運(yùn)動與空間的運(yùn)動完全一樣時，他向前邁出了一大步，除了兩個附加的乘法因子：c，真空中的光速，i，虛數(shù)√（-1）。在第一次完成了時空推導(dǎo)之后，閔可夫斯基講授了：
（光錐的一個示例，即所有可能到達(dá)和離開時空點(diǎn)的光線的三維表面。在空間中移動的越多，隨時間移動的越少，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，它會導(dǎo)致一個與你根據(jù)舊牛頓的絕對空間和絕對時間的概念所直觀的宇宙截然不同的宇宙圖景。特別是當(dāng)你在宇宙中移動時，你將體驗到空間和時間如何為你而流逝的變化。
如果你靜止不動，保持同樣的空間位置，你將以最大的速度在時間中前進(jìn)。
當(dāng)你在空間中移動得更快時，你會在時間中移動得更慢（時間會變長），沿著你運(yùn)動方向（長度收縮）的空間距離會變短。
如果你沒有質(zhì)量，你就沒有選擇只能以光速移動。沿著運(yùn)動方向的距離會縮小到零；你會瞬間穿過它們。同樣地，時間也會膨脹到無窮大；從你的角度看，你的旅程將花費(fèi)零時間。
（由光子在兩個反射鏡之間反彈形成的光時鐘將為任何觀察者定義時間。盡管兩位觀察者可能在時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。一個靜止的觀測者會看到時間正常地通過，但是一個在空間中快速移動的觀測者的時鐘相對于靜止的觀測者會慢一些。）
當(dāng)你研究這些考慮的物理含義是什么時，它們簡直令人吃驚。你可以了解到所有無質(zhì)量粒子都是內(nèi)在穩(wěn)定的；因為在它們的參照系中沒有時間對它們來說，它們永遠(yuǎn)不會衰變。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，簡單地將它們的速度乘以它們的生存時間。
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，在它衰變前，移動距離將不足1公里，因為它的壽命僅2.2微秒。這也意味著從相同開始的事物不一定會保持相同，例如一對雙胞胎，其中一個留在地球上，另一個在太空旅行，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，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。實驗的目的是測量在太空環(huán)境中對人體的影響。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稍微年輕一些。）
你不能把空間和時間分開對待，因為它們是不可分割的聯(lián)系在一起的；在一個空間中移動會影響你在另一個空間中的運(yùn)動，而不管你的時空固有的任何其他屬性。今天，狹義相對論已經(jīng)被廣義相對論所取代，廣義相對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，你在空間和時間中的運(yùn)動不能被分開對待；你需要它們一起來描述你的現(xiàn)實。
時間和空間一樣是一個很好的維度，無論你如何在空間中提升自己速度，你必須始終在時間中前進(jìn)。有時有人認(rèn)為我們的宇宙是3+1維的，而不是4維的，因為時間處于一個稍微獨(dú)立的基礎(chǔ)上：增加你在空間中的運(yùn)動會減少你在時間中的運(yùn)動，反之亦然。
（上圖說明：如果你知道控制一個物體如何穿越時空的所有規(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)測這個物體如何穿越時空。除了空間坐標(biāo)之外，如果不包括時間坐標(biāo)，則無法準(zhǔn)確描述對象的位置。）
也許愛因斯坦相對論最顯著的事實是，任何人，不管他們?nèi)绾蜗鄬τ谄渌嗽诳臻g中運(yùn)動，都會看到同樣的規(guī)律控制著他們在空間和時間中的運(yùn)動。改變你在空間中的運(yùn)動會對你在時間中的運(yùn)動產(chǎn)生可預(yù)測的影響和后果，當(dāng)你在相同的空間和時間坐標(biāo)中遇到另一個觀察者時，你們兩個都可以在那個時候就同時發(fā)生的內(nèi)容達(dá)成一致。
如果時間不是一個具有精確性質(zhì)的維度，狹義相對論將是無效的，我們無法構(gòu)建時空來描述我們的宇宙。我們需要時間作為一個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，請驕傲地加上一個“+1”，并向時間致敬。
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