設(shè)想你正在描繪自己在星辰之間移動(dòng)的畫面，你的方向選擇無拘無束，你隨意地向左或向右、向前或向后、向上或向下挪移。正是這三個(gè)方向構(gòu)成了一個(gè)簡明的網(wǎng)格，訴說著一個(gè)人曾在空間中穿梭的各種可能路徑，且一旦時(shí)機(jī)成熟，這個(gè)原理同樣適用于星際旅行。
類似的延時(shí)攝影作品向我們展示了一個(gè)事實(shí)：即，一幅照片通常是某一刻空間位置的快照，每個(gè)瞬間彼此截然不同，且獨(dú)一無二。在相對(duì)論的語境中，時(shí)間不僅是一個(gè)坐標(biāo)，更是一個(gè)維度。
然而，空間的三個(gè)維度遠(yuǎn)非故事的全部。第四個(gè)維度，即時(shí)間，同樣至關(guān)重要。當(dāng)然，我們始終在時(shí)間的河流中不斷前進(jìn)，但它與空間的任何一個(gè)維度并無二致。不管我們將之稱為一個(gè)四維的宇宙結(jié)構(gòu)，還是3+1維的宇宙，我們所擁有的是三個(gè)空間維度與一個(gè)時(shí)間維度。在物理定律中，它們是不可分割的。讓我們深入理解這一理念。
一張如照片般細(xì)致的地球圖像，多虧了美國宇航局的Terra衛(wèi)星攜帶的中等分辨率成像分光輻射計(jì)（MODIS）提供的數(shù)據(jù)。在諸如地球這樣的世界表面，通常只需要兩個(gè)坐標(biāo)（比如，緯度和經(jīng)度）就可以精確地定位一個(gè)地方。但如果涉及到地下或地表以上位置，就需要第三個(gè)空間維度。
在大多數(shù)情況下，人類僅在地表活動(dòng)。當(dāng)我們要描述自身位置時(shí)，通常只需提供兩個(gè)坐標(biāo)：緯度和經(jīng)度。這兩個(gè)值已足以描繪我們?cè)诘厍虻哪媳陛S和東西軸上的位置，因?yàn)榈谌齻€(gè)維度——高度——是預(yù)先確定的：我們位于地表。
然而，一旦你考慮進(jìn)入地下或升至空中，你就需要第三個(gè)坐標(biāo)來準(zhǔn)確界定你的位置：高度或深度，也即你在垂直軸上的位置。畢竟，與你擁有相同經(jīng)度和緯度的人，可能就在你的腳下的隧道內(nèi)，或在你頭頂?shù)闹鄙龣C(jī)上。他們并不處于同一地點(diǎn)，你需要三個(gè)獨(dú)立的信息來準(zhǔn)確界定你在空間中的位置。
即便如此，兩個(gè)擁有相同精確三維空間坐標(biāo)的物體也不一定會(huì)重合。假設(shè)你正坐在椅子上，你的位置完全可以用我們熟知的三個(gè)空間坐標(biāo)（x、y和z）來精確表示。然而，這把椅子現(xiàn)在正被你占據(jù)，決定性的時(shí)刻并非昨天、一小時(shí)前、下周或十年后，而是現(xiàn)在。
你在宇宙中的位置不僅由空間坐標(biāo)（你在哪里）來描述，還由時(shí)間坐標(biāo)（你在何時(shí)）來描繪。如果不通過時(shí)間的流逝，你無法從一個(gè)空間位置移動(dòng)到另一個(gè)。除了x、y和z，你還需要第四個(gè)坐標(biāo)——時(shí)間t。
為了在時(shí)空中全面描述一個(gè)事件，你不僅需要其發(fā)生的地點(diǎn)，還需要其發(fā)生的時(shí)間。除了空間的三個(gè)坐標(biāo)，你還需要一個(gè)時(shí)間坐標(biāo)。雖然這看似簡單，但直到相對(duì)論的出現(xiàn)，當(dāng)物理學(xué)家開始探討同時(shí)性的問題時(shí)，時(shí)間坐標(biāo)才在物理學(xué)中扮演了至關(guān)重要的角色。設(shè)想你有兩個(gè)點(diǎn)——A和B，它們通過一條路徑連接。
假設(shè)一個(gè)人從A開始，另一個(gè)人從B開始，他們各自朝向?qū)Ψ揭苿?dòng)。你可以通過將手指放在A和B上，然后“行走”到各自的目的地，來可視化這個(gè)過程。從A出發(fā)的人無法不經(jīng)過另一人到達(dá)B，反之亦然。
你可以任意選擇兩個(gè)點(diǎn)，并繪制連接它們的直線路徑。如果你要求某人在從A點(diǎn)前往B點(diǎn)的同時(shí)，另一人從B點(diǎn)前往A點(diǎn)，那么在時(shí)空中總會(huì)發(fā)生這樣一個(gè)情況：兩位旅行者在所有四個(gè)維度上都占據(jù)同一點(diǎn)——他們?cè)谕粫r(shí)間共享同一空間位置。
想象一下，你把手指放在A和B上，然后“行走”至各自的目的地。為了每個(gè)人都能到達(dá)目的地，必須有一個(gè)時(shí)刻，你的兩個(gè)手指同時(shí)占據(jù)同一位置。在相對(duì)論中，這被稱為一個(gè)同時(shí)事件：兩個(gè)不同物體在所有空間和時(shí)間坐標(biāo)上重合。這一點(diǎn)既無爭議，也在數(shù)學(xué)上得到了證明。
如果你將一個(gè)網(wǎng)球落在硬地面上，它會(huì)反彈。為了描述網(wǎng)球這樣的“粒子”的位置，你必須正確地考慮它在宇宙中的運(yùn)動(dòng)，這不僅需要空間位置的信息，還需要它隨時(shí)間變化的信息。只有將時(shí)間坐標(biāo)和三個(gè)空間坐標(biāo)結(jié)合起來，我們才能精確地描述物體在宇宙中的移動(dòng)。
這個(gè)思維實(shí)驗(yàn)向我們展示了時(shí)間為何應(yīng)該被視為我們所經(jīng)歷的一個(gè)維度，正如我們的空間維度也是一樣。然而，并不是愛因斯坦首先將空間和時(shí)間結(jié)合在一起，形成了一個(gè)不可分割的整體，使它們無法被單獨(dú)看待。相反，是愛因斯坦的老師明可夫斯基揭示了這兩個(gè)維度是如何緊密相連。
在愛因斯坦提出狹義相對(duì)論后的不到三年時(shí)間里，明可夫斯基以精確的推理證明了該理論的完整性。如果你要在太空中移動(dòng)，你不能瞬間完成；你必須從你當(dāng)前的位置移動(dòng)到另一個(gè)空間位置，在那里你只會(huì)達(dá)到未來的某個(gè)點(diǎn)。如果你現(xiàn)在在這里，你不能在同一時(shí)刻出現(xiàn)在其他地方，你只能晚些時(shí)候到達(dá)那里。在太空中的移動(dòng)同樣涉及穿越時(shí)間。
觀察時(shí)空對(duì)質(zhì)量移動(dòng)的反應(yīng)，這有助于從質(zhì)量上精確展示，它不僅是一個(gè)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，而是整個(gè)空間本身被宇宙中物質(zhì)和能量的存在及其特性所彎曲。注意，只有考慮到大質(zhì)量物體的位置以及整個(gè)時(shí)間的質(zhì)量位置，我們才能描繪出時(shí)空。一個(gè)物體瞬間的位置以及它所在的歷史，決定了它在宇宙中的移動(dòng)所受的力。
愛因斯坦在1905年發(fā)表的狹義相對(duì)論，闡釋了一個(gè)人在空間中的移動(dòng)與一個(gè)人在時(shí)間中的移動(dòng)之間的定量關(guān)系。它告訴我們，真空中的光速是一個(gè)普遍的速度上限，隨著你接近它，你會(huì)經(jīng)歷長度收縮和時(shí)間膨脹這些奇妙的現(xiàn)象。
然而，當(dāng)明可夫斯基在數(shù)學(xué)上認(rèn)識(shí)到時(shí)間的移動(dòng)與空間的移動(dòng)是一樣的時(shí)候，他邁出了一大步，除了兩個(gè)額外的乘法因子：c（真空中的光速）和i（虛數(shù)的平方根-1）。在完成了時(shí)空的首次推導(dǎo)之后，明可夫斯基闡述道：
從此刻起，空間與時(shí)間的架構(gòu)將逐漸化為虛無，唯有兩者的結(jié)合才能維系真實(shí)的存在。
就拿光錐的例子來講，它是一個(gè)立體面，匯聚了從特定時(shí)空點(diǎn)發(fā)散或匯聚的所有光線。在空間移動(dòng)的幅度越大，相應(yīng)的時(shí)間移動(dòng)就越少，反之亦然。唯有落在你過去光錐內(nèi)的事物，才能對(duì)你的現(xiàn)在造成影響；唯有落在你未來光錐內(nèi)的事物，才能被你感知到。
當(dāng)這些啟示匯聚在一起，你所構(gòu)建的宇宙圖像將徹底顛覆舊有的牛頓力學(xué)所描繪的絕對(duì)時(shí)空。尤其當(dāng)你穿梭宇宙，你將親身感受到時(shí)空是如何因你而流轉(zhuǎn)。
假若你紋絲不動(dòng)，你在時(shí)間中行進(jìn)的速度將達(dá)到極致。
而當(dāng)你在空間快速移動(dòng)，你在時(shí)間的行進(jìn)會(huì)放緩（時(shí)間膨脹），沿運(yùn)動(dòng)方向的空間距離會(huì)縮短。
若你無質(zhì)量，你將被限定以光速移動(dòng)。沿運(yùn)動(dòng)方向的空間會(huì)縮短至一點(diǎn)；你將一瞬間穿越它。與此同時(shí)，時(shí)間也將極度膨脹；以你的視角看，你的旅程幾乎無需時(shí)間。
在兩面鏡子間彈射的光子構(gòu)成的光時(shí)鐘，將為任何觀測者界定時(shí)間。即便兩位觀測者對(duì)時(shí)間流逝的速度持不同見解，他們卻對(duì)物理法則和宇宙常數(shù)（如光速）毫無異議。一位靜止的觀測者會(huì)見證時(shí)間如常流轉(zhuǎn)，而一個(gè)在空間快速移動(dòng)的觀測者的時(shí)鐘，相較于靜止者，走得緩慢。
當(dāng)你深入研究這些物理意義時(shí)，它們將令你驚嘆不已。你會(huì)發(fā)現(xiàn)所有無質(zhì)量的粒子具有內(nèi)在的穩(wěn)定性；在它們所處的參考系中，時(shí)間毫無意義，因而它們永不衰變。那些短暫存在的不穩(wěn)定粒子，其傳播距離遠(yuǎn)超你的想象，因?yàn)樗鼈兊乃俣扰c生存時(shí)間相乘。
例如，在大氣高層創(chuàng)造的μ介子，盡管以近光速移動(dòng)，在衰變前所移動(dòng)的距離不足1公里，而它卻能抵達(dá)地球表面，盡管其壽命僅為2.2微秒。這還意味著，即便起點(diǎn)相同，事物的發(fā)展軌跡未必一致；例如一對(duì)雙胞胎，一個(gè)留在地球上，一個(gè)在太空旅行，他們將以不同的速率衰老，太空中的雙胞胎返回地球時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)自己比留在地球上的雙胞胎年輕許多。
你不能割裂空間和時(shí)間來考慮，因?yàn)樗鼈兪遣豢煞蛛x的；你在一個(gè)空間的移動(dòng)，將影響你在另一空間的移動(dòng)，無論你所在的時(shí)空具有何種其他特性。如今，狹義相對(duì)論已被包含空間曲率在內(nèi)的廣義相對(duì)論所替代。無論你身處的宇宙如何，你在空間和時(shí)間的移動(dòng)皆不可割裂；它們共同構(gòu)建你的現(xiàn)實(shí)。
空間和時(shí)間一樣，都是一個(gè)獨(dú)特的維度。無論你如何在空間提升速度，你始終在時(shí)間中行進(jìn)。有人認(rèn)為，我們的宇宙是3+1維的，而不是四維的，因?yàn)闀r(shí)間在一個(gè)較為獨(dú)立的層面上：你增加在空間的移動(dòng)會(huì)減少在時(shí)間的移動(dòng)，反之亦然。
如果你掌握了一個(gè)物體穿越時(shí)空的所有法則，以及初始條件和物體與系統(tǒng)其余部分之間的作用力，你就能預(yù)測這個(gè)物體的時(shí)空軌跡。不包括時(shí)間坐標(biāo)，你無法精確描述對(duì)象的位置，哪怕僅僅缺少空間坐標(biāo)。
可能愛因斯坦相對(duì)論最顯著的啟示是，無論你相對(duì)于他人如何在空間移動(dòng)，你都將看到同樣的規(guī)律主導(dǎo)你在時(shí)空中的行進(jìn)。你對(duì)空間的移動(dòng)的改變，將對(duì)在時(shí)間中的移動(dòng)帶來可預(yù)測的影響，當(dāng)你在某一時(shí)空點(diǎn)與其他觀察者相遇時(shí)，你們將共同見證那一刻發(fā)生的一切。
若時(shí)間不是一個(gè)固有的維度，狹義相對(duì)論便不復(fù)存在，我們也無法構(gòu)建時(shí)空來描述宇宙。我們需要時(shí)間作為一個(gè)無法從空間割裂的維度，以便物理規(guī)律能夠如是運(yùn)作。當(dāng)有人詢問我們是否生活在三維宇宙中，請(qǐng)自豪地為它加上“+1”，并向時(shí)間致敬。
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