介绍
在牛顿物理学中，空间和时间有其独立的身份，从来没有人把它们混为一谈。 正是在 20 世纪初结合相对论，谈论时空变得几乎不可避免。 在相对论中，空间和时间不再具有独立的客观意义。 真正存在的是时空，把它分割成时空只是一种有用的人类惯例。
相对论以难以理解而著称的主要原因之一是我们的直觉训练我们将空间和时间视为独立的事物。 我们将物体体验为在“空间”中具有范围，这似乎是一个非常客观的事实。 最终它对我们来说就足够了，因为我们通常以远低于光速的速度穿越太空，所以前相对论物理学有效。
但是直觉和理论之间的这种不匹配使得向时空视角的飞跃有些令人生畏。 更糟糕的是，相对论的呈现通常采用自下而上的方法——它们从我们日常的空间和时间概念开始，并在新的相对论背景下改变它们。
我们会有所不同。 我们进入狭义相对论的道路可能被认为是自上而下的，从一开始就认真对待统一时空的想法，并了解这意味着什么。 我们将不得不稍微扩展一下我们的大脑，但结果将是对我们宇宙的相对论观点的更深入的理解。
相对论的发展通常归功于阿尔伯特·爱因斯坦，但他为自 1860 年代詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）将电学和磁学统一为单一的电磁学理论以来一直在建设中的理论大厦提供了顶石。 麦克斯韦的理论解释了光是什么——电磁场中的一种振荡波——并且似乎对光的传播速度赋予了特殊意义。 对于当时的科学家来说，场本身存在的想法并不完全直观，很自然地想知道光波中真正“挥动”的是什么。
各种物理学家研究了光通过他们称为发光醚的介质传播的可能性。 但没有人能找到任何此类以太的证据，因此他们被迫编造越来越复杂的理由来解释为什么这种物质无法被检测到。 爱因斯坦在 1905 年的贡献是指出以太已经完全没有必要，没有它我们可以更好地理解物理定律。 我们所要做的就是接受一个全新的空间和时间概念。 （好吧，这很多，但结果证明是完全值得的。）
爱因斯坦的理论后来被称为狭义相对论，或简称狭义相对论。 在他的基础论文中，“论运动体的电动力学，”他主张以新的方式思考长度和持续时间。 他解释了光速的特殊作用，他假设宇宙中有一个绝对的速度极限——光在空旷的空间中移动时恰好传播的速度——每个人都会测量到相同的速度，无论他们如何移动。 为了解决这个问题，他必须改变我们对时间和空间的传统观念。
但他并没有走得太远，甚至提倡将空间和时间结合成一个统一的时空。 在 20 世纪初，这一步留给了他的前大学教授 Hermann Minkowski。 狭义相对论的舞台今天被称为闵可夫斯基时空。
一旦你有了将时空视为一个统一的四维连续体的想法，你就可以开始询问关于它的形状的问题。 时空是平坦的还是弯曲的、静态的还是动态的、有限的还是无限的？ 闵可夫斯基时空是平坦的、静止的和无限的。
爱因斯坦花了十年时间来了解如何将引力纳入他的理论。 他最终的突破是意识到时空可以是动态的和弯曲的，而这种曲率的影响就是你我所体验的“重力”。 这种灵感的成果就是我们现在所说的广义相对论。
所以狭义相对论是一个固定的、平坦的时空理论，没有引力； 广义相对论是动态时空理论，其中曲率产生引力。 两者都算作“经典”理论，尽管它们取代了牛顿力学的一些原理。 对物理学家来说，经典并不意味着“非相对论”； 它的意思是“非量子”。 在相对论的背景下，经典物理学的所有原理都是完整的。
我们应该愿意放下相对论之前对时空分离的喜爱，让它们融入时空统一的舞台。 到达那里的最好方法是更仔细地思考我们所说的“时间”是什么意思。 做到这一点的最好方法是再次回到我们对空间的看法。
考虑空间中的两个位置，例如您的家和您最喜欢的餐厅。 他们之间的距离是多少？
嗯，这取决于，你马上想到。 如果我们能想象在两点之间走一条完美的直线路径，那么就有“乌鸦飞翔”的距离。 但是你在现实世界的旅程中也有一段距离，你可能仅限于走公共街道和人行道，避开沿途的建筑物和其他障碍物。 你走的路线总是比乌鸦飞的距离要长，因为直线是两点之间最短的距离。
现在考虑时空中的两个事件。 在相对论的技术术语中，“事件”只是宇宙中的一个点，由空间和时间的位置指定。 一个事件，称为 A，可能是“下午 6 点在家”，事件 B 可能是“晚上 7 点在餐厅” 将这两个事件牢牢记在脑海中，并想一想 A 和 B 之间的旅程。不能早点赶到B； 如果您在 6:45 到达餐厅，您将不得不坐在那里等到晚上 7 点才能到达我们标记为 B 的时空中的活动。
现在我们可以问自己，就像我们对家和餐厅之间的空间距离所做的那样，这两个事件之间经过了多少时间。
你可能会认为这是一个棘手的问题。 如果一个活动在下午 6 点举行，另一个活动在晚上 7 点举行，那么它们之间有一个小时，对吗？
爱因斯坦说，没那么快。 当然，在一个过时的牛顿世界观中。 时间是绝对的、普遍的，如果两个事件之间的时间是一小时，那就只能这么说了。
相对论讲述了一个不同的故事。 对于“时间”的含义，现在有两个不同的概念。 时间的一种概念是时空坐标。 时空是一个四维连续体，如果我们想指定其中的位置，可以方便地在其中的每个点上附加一个称为“时间”的数字。 当我们想到“下午 6 点”和“晚上 7 点”时，我们通常会想到这些，它们是时空坐标的值，是帮助我们定位事件的标签。 当我们说“晚上 7 点在餐厅见面”时，每个人都应该明白我们的意思
但是，相对论说，正如乌鸦飞行的距离通常与你在空间中两点之间实际行进的距离不同一样，你所经历的持续时间通常与宇宙坐标时间不同。 您体验到的时间可以用旅途中随身携带的时钟来衡量。 这是沿途的适当时间。 时钟测量的持续时间，就像汽车里程表测量的距离一样，取决于你所走的路。
这就是说“时间是相对的”的一个方面。 我们既可以从时空坐标的角度来考虑一个共同的时间，也可以考虑我们沿着自己的道路单独经历的个人时间。 时间就像空间——这两个概念不必重合。 （正如历史学家彼得·加利森（Peter Galison）所指出的，爱因斯坦在瑞士专利局工作并不是巧合，当时快速的铁路旅行迫使欧洲人思考欧洲大陆其他城市的时间，以便更好地建设时钟成为重要的技术前沿。）
尽管如此，时间一定有某种方式不像空间，否则我们只会谈论四维空间，而不是单挑时间来贴上自己的标签。 而且我们在这里没有考虑时间之箭——目前，我们处于一个简单的世界中，几乎没有活动部件，熵和不可逆性不是我们必须担心的事情。
区别在于：在空间中，直线描述了两点之间的最短距离。 相比之下，在时空中，一条笔直的路径会产生两个事件之间最长的经过时间。 正是这种从最短距离到最长时间的翻转将时间与空间区分开来。
时空中的“直线路径”是指空间中的直线和恒定的行进速度。 换句话说，是一条没有加速度的惯性轨迹。 固定时空中的两个事件——空间中的两个位置和相应的时间点。 旅行者可以在他们之间以恒定的速度直线旅行（无论他们在正确的时间到达所需的速度），或者他们可以在非惯性路径中来回移动。 往返路线总是比直线路线涉及更多的空间距离，但经过的适当时间更少。
为什么会这样？ 因为物理学是这样说的。 或者，如果您愿意，因为这就是宇宙的本来面目。 也许我们最终会发现一些更深层次的原因，为什么它必须这样，但在我们目前的知识状态下，这是我们建立物理学的基石假设之一，而不是我们从更深层次的原理中得出的结论。 空间中的直线是最短距离； 时空中的直线路径是最长的可能时间。
距离更远的路径需要更少的适当时间，这似乎违反直觉。 没关系。 如果它是直观的，你就不需要成为爱因斯坦来提出这个想法。
改编自 宇宙中最大的想法 作者：Sean Carroll，经 Dutton 许可，企鹅出版集团是企鹅兰登书屋有限责任公司的一个部门。 版权所有 © 2022 肖恩卡罗尔。
