什么是“时空连续体”？

2024-03-21 09:46:06 来源：参考消息网

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英国“我超爱科学”网站1月1日刊登题为《什么是“时空连续体”？》的文章，作者是斯蒂芬·伦茨，内容编译如下：

“时空连续体”(space-time continuum)是源自于大多数人听说过却未必完全了解的相对论的一个概念，就像相关的公式E=mc2一样。科学文献维持着人们对这两个概念的了解，但科幻小说和由此产生的网红用语则更多地让人们对两者保持印象。遗憾的是，时空概念比起著名的爱因斯坦方程要难以理解得多，但这并不意味着任何没有大学物理学学位的人必须把它当作匪夷所思的东西。

在科幻小说《生命、宇宙及一切》一书中，作者道格拉斯·亚当斯通过关于“时空连续体中的漩涡”的讨论带给读者巨大的乐趣。如同双关语和谬论一样，好笑的是人们通常听说过时空连续体，却不知道它究竟是什么。

从某种意义上说，这个概念很简单——时空是一个四维概念，即在三个空间维度之外增加了一个完全不同的时间维度。时空体系中的事件用四个坐标表示：其中三个坐标依据的是事件发生的位置(相对于某个规定的起点)，而第四个坐标是事件发生的时间。

尽管爱因斯坦让时空概念基本贯穿于相对论的始终，但物理学家们在之前的若干年里就一直在试探性地考虑某个统一的时空体系概念——其中，时间被当作第四个维度，包括杜撰出“时空”(space-time)一词。空间维度和时间维度通过光速(在真空中)统一起来，从而确保某个事件的结果经过一定时间才能在其他地方被感受到。

大多数人对这一概念的疑问是我们所体验的时间与长度、宽度、高度如此截然不同，以至于整个概念看起来很荒谬。例如，如果我们意识到我们在某个特定方向上走得太远，我们通常可以掉头回去。我们希望同样的情况在时间维度上也能发生。科幻作家乌尔苏拉·勒吉恩曾聪明地提出一种时空连续体异常现象的概念，即时间即将耗尽——因为似乎从来都没有足够的时间，同时指出在其他维度上却观察不到同样的情况。

物理学家难以解释为什么时间与其他维度如此不同。不过，时间作为第四个维度——尽管是一个特殊的维度——的地位是可以证明的。我们还知道，时间在某种程度上与其他三个维度存在关联：没有彼此作为参照，它们往往无法得到准确的衡量。

按照我们在日常生活中的体验，把空间和时间分开处理并不是问题，这就是为什么时空概念如此违背直觉的原因。不过，倘若我们以接近光的速度相对于某个对于我们重要的事物移动，情况将截然不同。

狭义相对论的一个重要特征是，当以接近光的速度移动时，相对于某个静止观察者的体验，时间会放慢。同样，在接近光速时，空间会在运动方向上收缩。这意味着，如果以非常快的速度运动的某人想要对两个事件进行测量，并把结果与运动得较慢的某人的测量结果进行比较，那么他们的结果会存在空间和时间两方面的差距。不过，在用光速进行时间和空间单位之间换算的情况下，两个观察者测量得到的将是相同的时空距离(假设他们进行了精准的测量)。

此外，这种时空连续体可能发生扭曲，例如在强大的引力影响下。引力不仅会扭曲空间，也会影响时间。尽管爱因斯坦提出这一概念时曾引发争议，但现在可以证实巨大的质量会造成时空翘曲——例如，通过对太空轨道上的时钟与地球上的时钟进行比较。

对巨大质量天体——例如脉冲星——互相环绕运动的测量以越来越大的准确性证实广义相对论关于时空运转机理的预言。这样的测量仍在进行中，部分原因是存在广义相对论的替代理论。不过，鉴于这些理论也认可时间作为一个维度的性质以及时间在空间维度连续体内的存在，即便其中某项替代理论最终被证明更胜一筹，它也不会使时空概念失效。