时空到底是什么?

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在回到这个问题之前,你需要做一些事情,那就是关于时间和空间是如何运作的,要抛弃你的直觉。一开始,你的大脑可能会抗议,并坚守住那生命中的美好直觉。不用担心,这很正常,这对任何人来说都不容易,哪怕是爱因斯坦。

时空指的是经由事物之间的空间和事件之间的时间,将这些体验汇总起来后我们所感受到的客观现实。

但时间和空间为什么不能直接是现实呢?为什么要给时空加上额外的解释呢?

假设两个观察者,各自往相对的方向移动,粒子也算作是观察者。实际情况是,这些观察者对事件中所经过的时间看法并不一致,而且不管在任何时候,他们对事物之间的空间距离也都没有完全一致的看法,他们甚至对所有事件发生的前后顺序也都看法不一致!

然而,每一个观察者都做了正确的测量,并保持了从头到尾的一致性,也就是说他们之中没有一个是错的。

这听起来很荒谬,但却是事实,而且已经有实验性的证据来证明这些。

而这牵涉到现实的本质到底是什么。如果两个观察者无法在事件顺序上达成一致,也就是说,某个人的过去是另一个人的未来。对于我们身边的事件,这效应只在微观尺度,但也表示了事件没有一个通用的定义,无法定义过去,现在和将来,这引起了一大堆哲学上的思考,比如自由意志,还有我们对自己能够改变未来的信念。

难道每个人在这个宇宙中的体验都完全是主观的?或者如U过我们平常认为的时间和空间不是客观现实的一部分,那什么才是客观现实?

因果关系!

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讨论客观现实很好的一个出发点是全体共识。非常幸运的是,所有的观察者都同意一个公式,它叫做“时间间隔”,或者是两个事件之中的时空分隔。虽然两个观察者在同样的两个事件中,在相对的动作下会测量出不同的距离和不同的消逝时间,但他们永远都同一那些事件之间的时空间隔。

如果大家都同意时空间隔,它们必定意味着某件事,那是什么呢?

公式中有一个减号。时空间隔可以是正数,零或者负数。当它是正数时,没有任何东西可以从一个事件到另一个去,而且永远都会有观察者对哪一件事先发生有不一致的看法;当它是零或是负数,信号或是事物可以从一个事件到另一个事件,而且每个人都对顺序有一致性看法。

所以,两个事件之间的的时空间隔告诉了我们,其中一件事似乎可以影响到另一件事。换句话说,就算两个观察者不能达成一致,对过去,现在,未来,时间或者距离,但他们看起来好像都同意因果关系。

这看起来有点违反直觉,一般来说,我们认为时间负责了因果关系,但事实上正好相反。某种程度上,我们对于时间之所以有一致看法,就只是因为“因果关系”,因果关系就是所谓的真实!

那么因果关系和时空有什么关系呢?

可以说息息相关。在相对论发表的不久之后,科学家注意到,在所谓的“非欧几里德空间”之中,时空间隔看起来就像是怪异版本的“距离公式”,于是一个激进的想法被提出来,也许现实并不是一个3D空间加上时间,而是一个4D的非欧几里德的数学空间!没有演化,没有时间,那个4D的数学空间就是时空,它是和事件协调的许多“点”,所有的事件,任何地方,古往今来!

在这个观点中,唯一的那4D空间中,协调于几何关系的是客观事实。比如说因果关系,它们和时空间隔互相协调,这就是几何关系,一个点与点之间距离的非欧几里德观点。

相反,我们的体验和我们对时间与空间的测量,没有和任何东西协调。在本质上,它们比较像我们在数学课上用的XY坐标,在黑板上很有效果,但实质上是没有意义的,黑板是点和几何学事实,它已经存在于那里,不管我们有没有在上面画上轴线都在那里。

问题来了,你是客观真实的吗?可以说是,如果你是一个序列的事件,同时活在当下,那么你就是时空中的几何物体,一条线中的片段。将点连结起来,描绘出事件,里面有你的出生和你的死亡。

你在那条线上往前移动吗?不是那样,你本身就是那条线,没有运动在时空之中,而你的未来不仅仅是预先决定的,它们也已经存在!

那么为什么我们对现实的感知是一个生动的空间并充满时间感?没有人真的明白这一切。一个事实是,或许我说的这些连皮毛都谈不上,所有的这些都只是对平直时空的概略的初步介绍,而当广义相对论参与进来之后,我们会发现,那里可能存在许多不同的时空,拥有不同的几何学,这更让人难以去弄明白。

但就好像在我们学会走路之前,必须先学会爬,总有一天我们会发现更有趣的东西,而且可能是完全震撼我们,颠覆我们世界观的东西!