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  在20世纪初，阿尔伯特-爱因斯坦统一了空间和时间的概念，为我们描绘宇宙提供了一种有用的新方法。

在20世纪初，物理学家们遇到了一个问题：光速永远是光速。

如果把棒球从时速20英里的火车上扔出去，它的速度就是扔出棒球时的速度加上 每小时20英里，就像艾萨克·牛顿定律所预测的那样。然而，如果你用手电筒对准时速20英里的火车，无论从哪个角度看，光线都将以光速传播，不多也不少。根据牛顿的宇宙图景，这没有任何意义。

普林斯顿大学的美国国家航空航天局爱因斯坦研究员利亚-梅德罗斯（Lia Medeiros）表示：“我们没有一种理论可以解释为什么光是特殊的?！?br />

解释问题的关键是阿尔伯特·爱因斯坦很快提出的——时空的概念。“

时空是所有观测者测量相同光速值的必然结果。

”这个概念是革命性的。芝加哥大学物理学和天体物理学教授丹尼尔·霍尔兹（Daniel Holz）说：“就日常经验和大多数实验而言，空间和时间分开是完全没有问题的。但如果想对宇宙的运行方式做出一般性的说明，那么就需要把它们看作一个物体?！?br />

1905年，爱因斯坦在已有的实验和理论工作的基础上，发表了狭义相对论。除其它内容外，该理论将空间和时间结合为一个实体，他称之为时空。

麻省理工学院物理学教授斯科特·休斯（Scott Hughes）说：“时空是所有观测者测量相同光速值的必然结果。爱因斯坦认真对待‘如果光速都一样怎么办？’这个问题，时空就是从这个思想实验中产生出来的?！?br />

这一切都是从不同参照系的概念开始的。一个人如何体验这个世界取决于他们个人的参照系。两个人站在一列行驶中的火车上，会觉得彼此静止不动。但站在火车外的观察者会看到这两个人都在运动，以火车的速度前行。放大得更远，另一位漂浮在太空中的观测者会看到站在火车外的人也在运动，在绕太阳运行的轨道上与地球一起旋转，而太阳又在银河系中航行。

爱因斯坦意识到，随着时间的推移，也会发生类似的事情：不同的人会根据他们的参照系，以不同的方式体验时间的流逝。理解这一原理的关键是普遍的光速。

想象一下，一个光量子在两面相对的镜子之间上下跳动。光子以光速飞行，应该以固定的间隔跳动，就像一个滴答作响的时钟。

一个人拿着这个光子钟站在移动的火车上，会看到光子在一条线上上下移动。然而，对于站在移动的火车外、站台上的人来说，光子似乎会以不同的方式移动。光子不仅会上下反弹，还会随着火车向前移动。

从一个参考系——在火车上——光子遵循尽可能短的路径，一条直线。从另一个角度——在平台上——它沿着一条伸展的Z字形路径。

如果想象两个光子钟，一个静止地坐在站台上，另一个在火车上呼啸而过，爱因斯坦面临的难题就会变得显而易见。

不管参照系如何，光速都是恒定的，那么对于火车上的人来说，他们旁边的光子钟会滴答得更快，而对于站台上的人，火车上的同一个时钟会滴答得更慢。这种效应被称为时间膨胀。一个类似的思想实验，光子钟倾斜在它的侧面，表明物体沿着火车运动的方向更紧凑，这种效应被称为长度收缩。

这在数学上是可行的。只有将来自不同空间和时间参考系的不同测量结果相结合时，所有观察者才会对结果达成一致，这表明空间和时间是密不可分的。

霍尔兹说：“如果允许空间和时间以一种相互关联的方式变化，那么每个人都同意光以光速运动。一旦把它们结合在一起，一切都会自然而然地发生。方程式非常优美优雅?！?br />

时空是四维的。我们可以随意地在三维空间中移动，上下、左右或前后移动。但我们也总是在经历第四个维度——时间。梅代罗斯说：“唯一的区别是，作为人类，我们不能决定在时间上前进和后退?！?br />

“因为我们无法控制时间，我们的大脑很难将时空的第四维度概念化。”霍尔兹说：“思考时空的一种方式是，它实际上只是空间和时间。这是你所熟悉的。唯一的区别是，你的空间和时间不是绝对的；其他人可能测量不同的空间和不同的时间。绝对的物理对象是组合：时空?！?br />

在爱因斯坦发表狭义相对论十年后，他又发表了一项新的著作，使时空更容易理解。

1905年的狭义相对论并不完整：它无法解释引力。这对于在地球上进行的实验来说很好，因为地球的引力很弱，但该理论未能描述引力发挥重要作用的情况。

1915年，爱因斯坦发表了广义相对论。与狭义相对论所描述的平坦时空不同，广义相对论描述的时空可以是弯曲的。爱因斯坦解释说，时空的动态曲率是由太阳等大质量天体造成的。

把时空想象成蹦床。大质量物体会扭曲时空，就像保龄球在蹦床上会导致蹦床下垂一样。

在弯曲时空中行进的物体将遵循与在平坦时空中行进物体不同的路径。在某些情况下，围绕一个大质量物体的曲线会将另一个物体的路径转换为轨道，就像地球围绕太阳运行的椭圆路径一样。

霍尔兹表示：“从某种意义上说，宇宙本身就是时空。除非从时空的角度来思考它，否则甚至无法开始思考它。这就像是我们所理解的一切都在这个关键阶段上演?！?br />

时空不是一个新概念，但它在今天的科学研究中仍然很重要?；舳人担骸霸诠サ募改昀?，时空一直是许多令人兴奋发现的前沿和中心。”

爱因斯坦的广义相对论预测了梅代罗斯研究的黑洞及霍尔兹和休斯研究的引力波的存在。

梅代罗斯在视界望远镜上工作，该望远镜于2019年发布了有史以来第一张黑洞图像。黑洞是时空的弯曲，引力如此之强，任何东西都无法逃脱，甚至光也无法逃脱。这正是科学家们将多个天文台的数据组合成一张照片时发现的。梅代罗斯说，她很惊讶“有人写下了一系列方程，100年后，这组方程预测了这个物体的存在，并完美地描述了它的样子”。

霍尔兹和休斯都研究了激光干涉仪引力波天文台测量的事件，该天文台于2016年宣布发现引力波。引力波是由中子星和黑洞等大质量致密物体加速引起的时空波纹。

休斯说：“在过去八年的数据采集中，时间和空间最好被描述为时空，而时空本身是告诉我们引力的一个动态的东西，这一观点确实得到了支持?！?br />

这也是多个观察家都能达成共识的一点。

来源 | 《Symmetry》期刊官网

编译 | ?槟榔郭