深度长文：你理解时间维度吗？为什么说时间必须是一个维度？

如果要求你描述自己如何在宇宙中移动，你可能会想到所有不同的方向，你都可以自由移动。你可以向左或向右走，向前或向后走，向上或向下；就是这样。这三个独立的方向，用一个简单的坐标方格来描述，描述了曾经可以在空间中移动的所有可能的方式，一旦条件具备，甚至可以在太空中移动。

（像这样的延时照片提醒我们，照片通常是特定时刻位置的快照，每一时刻都与上一时刻截然不同和独特。在相对论中，时间不仅是一个坐标，而且是一个维度。）

但这三个维度远非全部，第四个维度同样重要，那就是时间。当然，我们总是在不断前进，但它与任何空间维度一样。当然，我们总是在不断前进，但它与任何空间维度一样。无论你说我们生活在一个四维宇宙描述的时空结构，或一个3+1维宇宙，我们有三个空间加一时间维度，在物理上仍然正确的情况下，不能将这些实体彼此分离。让我们试着理解为什么。

（这张详细的、像照片一样的地球视图主要是基于美国宇航局的Terra卫星上的中等分辨率成像分光辐射计（modis）的观测结果。在像地球这样的世界表面，只有两个坐标（例如纬度和经度）可以定义一个位置。如果允许地下位置或地表以上位置，则还需要第三个空间尺寸。）

在大多数情况下，人类只生活在地球表面。当我们想描述我们的位置时，通常只需要给出两个坐标：纬度和经度。我们只需要这两个值，这两个值描述了我们在地球南北轴和东西轴上的位置，因为第三维度是给定的：我们在地球表面。

但是，如果你愿意去地下或到地球表面上方的空气中，你需要第三个坐标来准确描述你的位置：高度/深度，或者你在上下轴的位置。毕竟，与您位于完全一样的纬度和经度的人即具有相同的二维坐标的人，可能在脚底下的地下隧道里或在你头顶高空直升机上。它们不一定位于同一位置，你需要三个独立的信息来精确定位你在空间的位置。

但即使两个具有相同精确三维空间坐标的不同物体也可能不会重叠。举一个简单列子来帮助理解，假设你现在坐的椅子上，它的位置绝对可以用我们熟悉的三个空间坐标（x、y和z）来准确描述。然而，这把椅子现在正被你占据，此时，时间正是关键，而不是昨天、一小时前、下周或十年后。

（上图说明：你在这个宇宙中的位置不仅用空间坐标（在哪里）来描述，而且用时间坐标（在什么时候）来描述。如果不同时穿越时间，就不可能从一个空间位置移动到另一个空间位置。）

为了在时空中完整地描述一个事件，你不仅需要知道它发生在哪里，还需要知道它发生的时间。除了x、y和z，你还需要一个时间坐标：t。虽然这看起来很简单，但直到爱因斯坦相对论的发展，当物理学家开始思考同时性问题时，它才在物理学中起到很大的作用。想象一下，如果你愿意的话，两个独立的位置-一个点“A”和一个点“B”-通过路径连接。

假设你有一个人从A开始，而另一个人从B开始，他们各自朝着另一个点移动。你可以通过在A和B上各放一根手指，然后“走”到各自的目的地，来可视化每个手指的位置。从A开始的人不经过另一个人就无法到达B，从B开始的人不经过第一个人就无法到达A。

（上图说明：您可以选择任意两个点，并绘制连接它们的一维（线性）路径。如果你要求某人在从A点到B点的同时从B点走到A点，那么在时空中总会有这样一个事件：两个旅行者在所有四个维度中都占据同一个点：他们将在完全相同的时间占据相同的空间位置。）

想象一下，你有一个人从A开始，而另一个人从B开始，他们各自向另一个点开始。您可以通过将每只手的手指放在 A 和 B 上，然后"行走"到各自的目的地来可视化每个手指的位置。从A开始的人不可能不经过对方到达B，从B开始的人也不可能不经过第一人就到达A。

换句话说，为了让每个人到达目的地，需要有一个时刻，你的两个手指同时占据同一个位置。在相对论中，这被称为同时事件：两个不同物理物体的所有空间和时间坐标重叠。这不仅没有争议，而且在数学上是可以证明的。

（如果你将一个网球落在坚硬的表面上，它会反弹回来。为了描述像网球这样的“粒子”的位置，你必须正确地解释它在宇宙中的运动，这不仅需要有关它的空间位置的信息，而且还需要这个位置随时间的演化。只有将时间坐标和三个空间坐标结合起来，我们才能准确地描述物体在宇宙中的运动。）

这个思维实验解释了为什么时间需要被视为我们所经历的维度，正如我们的空间维度是我们所经历的维度一样。然而，并不是爱因斯坦把空间和时间放在一起，形成了一个单一的公式，使它们无法分离。相反，是爱因斯坦的前教授赫尔曼·明可夫斯基发现了这两个实体是多么不可分割。

在爱因斯坦首次提出他的狭义相对论后不到三年，明科夫斯基用精辟的推理方式证明了该理论的统一性。如果你想在太空中移动，你不能立即完成；你必须从你现在所处的位置移动到另一个空间位置，在那里你只会到达未来的某个点。如果你现在在这里，你不能在同一时刻在其他地方，你只能晚些时候去。在太空中移动也需要你穿越时间。

（上图说明：生动地观察时空在质量移动时的反应，它有助于从质量上准确展示，它不仅仅是一网格结构，而是所有空间本身被宇宙中物质和能量的存在和特性所弯曲。请注意，只有我们不仅包括大质量物体的位置，而且包括整个时间的质量位置，才能描述时空。瞬时位置和该物体所在的过去历史决定了在宇宙中移动的物体所受的力。）

爱因斯坦1905年出版的狭义相对论所阐述的是，一个人通过空间的运动与一个人通过时间的运动之间的定量关系。它告诉我们，真空中的光速是一个普遍的速度限制，当你接近它时，你会体验到长度收缩和时间膨胀的奇异现象。

但是，当明可夫斯基在数学上认识到时间的运动与空间的运动完全一样时，他向前迈出了一大步，除了两个附加的乘法因子：c，真空中的光速，i，虚数√（-1）。在第一次完成了时空推导之后，闵可夫斯基讲授了：

“从今以后，空间本身，时间本身，注定要消逝成单纯的阴影，只有两者的一种结合才能保持一个独立的现实。”

（光锥的一个示例，即所有可能到达和离开时空点的光线的三维表面。在空间中移动的越多，随时间移动的越少，反之亦然。只有你过去光锥中所含的东西才能影响你今天；只有你未来光锥中所包含的东西才能被你感知到。）

当你把这些启示放在一起时，它会导致一个与你根据旧牛顿的绝对空间和绝对时间的概念所直观的宇宙截然不同的宇宙图景。特别是当你在宇宙中移动时，你将体验到空间和时间如何为你而流逝的变化。

• 如果你静止不动，保持同样的空间位置，你将以最大的速度在时间中前进。
• 当你在空间中移动得更快时，你会在时间中移动得更慢（时间会变长），沿着你运动方向（长度收缩）的空间距离会变短。
• 如果你没有质量，你就没有选择只能以光速移动。沿着运动方向的距离会缩小到零；你会瞬间穿过它们。同样地，时间也会膨胀到无穷大；从你的角度看，你的旅程将花费零时间。

（由光子在两个反射镜之间反弹形成的光时钟将为任何观察者定义时间。尽管两位观察者可能在时间流逝的问题上意见不一致，但他们将在物理定律和宇宙常数（如光速）上意见一致。一个静止的观测者会看到时间正常地通过，但是一个在空间中快速移动的观测者的时钟相对于静止的观测者会慢一些。）

当你研究这些考虑的物理含义是什么时，它们简直令人吃惊。你可以了解到所有无质量粒子都是内在稳定的；因为在它们的参照系中没有时间对它们来说，它们永远不会衰变。产生的不稳定粒子，即使寿命极短，其传播距离也比你想象的要远得多，简单地将它们的速度乘以它们的生存时间。

例如，在大约60-100公里高空的高层大气中创造的μ介子将到达地球表面，尽管它以接近光速移动，在它衰变前，移动距离将不足1公里，因为它的寿命仅2.2微秒。这也意味着从相同开始的事物不一定会保持相同，例如一对双胞胎，其中一个留在地球上，另一个在太空旅行，他们将以不同的速度老去，太空旅行中的双胞胎回到地球时，发现自己比同胞胎年轻许多。

（马克和斯科特·凯利在德克萨斯州休斯顿的约翰逊航天中心站在一起，其中一人在太空度过了一年（在国际空间站上），另一人留在地面上。实验的目的是测量在太空环境中对人体的影响。我们发现，在太空中旅行的行为，甚至在低地球轨道上，使乘坐空间站的双胞胎在返回地面时稍微年轻一些。）

你不能把空间和时间分开对待，因为它们是不可分割的联系在一起的；在一个空间中移动会影响你在另一个空间中的运动，而不管你的时空固有的任何其他属性。今天，狭义相对论已经被广义相对论所取代，广义相对论也包含了空间本身固有的曲率。不管你所居住的宇宙的性质如何，你在空间和时间中的运动不能被分开对待；你需要它们一起来描述你的现实。

时间和空间一样是一个很好的维度，无论你如何在空间中提升自己速度，你必须始终在时间中前进。有时有人认为我们的宇宙是3+1维的，而不是4维的，因为时间处于一个稍微独立的基础上：增加你在空间中的运动会减少你在时间中的运动，反之亦然。

（上图说明：如果你知道控制一个物体如何穿越时空的所有规则，以及初始条件和物体与系统其余部分之间作用力的施加，你应该能够预测这个物体如何穿越时空。除了空间坐标之外，如果不包括时间坐标，则无法准确描述对象的位置。）

也许爱因斯坦相对论最显著的事实是，任何人，不管他们如何相对于其他人在空间中运动，都会看到同样的规律控制着他们在空间和时间中的运动。改变你在空间中的运动会对你在时间中的运动产生可预测的影响和后果，当你在相同的空间和时间坐标中遇到另一个观察者时，你们两个都可以在那个时候就同时发生的内容达成一致。

如果时间不是一个具有精确性质的维度，狭义相对论将是无效的，我们无法构建时空来描述我们的宇宙。我们需要时间作为一个无法从空间中分离出来的维度，以便物理能够像它那样工作。当有人问你我们是否生活在三维宇宙中时，请骄傲地加上一个“+1”，并向时间致敬。