如何思考四维宇宙

在爱因斯坦著名的相对论中，不变的空间和时间的概念不仅被搁置，而且被明确而坚决地拒绝。空间和时间现在被编织成一个共存的结构。也就是说，我们真正生活在一个四维宇宙中。空间和时间本身已不复存在;只剩下这些维度的并集。

这就是物理学家给出的一个词：时空。上班时从办公桌上拿出四支笔。从两个开始，在桌子上画一个十字，使它们彼此垂直。现在添加第三支笔并将其放置在与前两支笔垂直的位置。为此，您不能再让铅笔放在桌子上，因为桌子是一个二维表面。你必须将我们的装置举在空中，这是我们习惯的三维世界的一部分。

但我们并不生活在一个单纯的三维世界中。拿起第四支笔，将其穿过其他三支笔，使其与所有笔完全垂直。也不能作弊：小于90度的角度都行。

你不能。只有三个空间维度。除此之外，你甚至无法想到第四个空间维度，因为我们的大脑是在三维世界中进化的(有些人声称他们可以想象第四个维度，但我怀疑他们要么在撒谎或者只是自欺欺人)。

但是，虽然你无法在脑海中记住第四维度的概念，但你可以体验它。从过去到未来的时间流动有其自身的维度。你拿着你奇怪的笔排列，跨越了时间的维度，从你第一次把它放在一起直到它全部崩溃。在此期间，您创作了一件四维雕塑。

物理学家将三个空间维度和单一时间维度绑定到时空的统一框架中。在牛顿物理学中，时空是舞台，而我们——宇宙的物体和内容——是演员。我们击中目标，说出台词，舞台提供了我们进行互动的背景。我们知道同一舞台上其他演员的位置——他们在指定的提示下各就各位说台词。

但在广义相对论中，舞台本身成为主演，其名字印在节目单上。为了使引力理论与空间和时间(现在的时空)相对论兼容，爱因斯坦意识到引力根本不是一种力，至少不是牛顿所设想的那种力。

时空不是一个固定的舞台，而是一个充满整个存在的灵活薄膜。它本身就是一个东西、一个物体和实体，是宇宙中角色的动态演员。宇宙由常见的粒子和辐射及其所有奇妙的相互作用组成，这些相互作用不是发生在时空之上，而是与时空一起发生，时空现在也加入了它们的行列。

质量和能量(不需要严格分开，因为由于爱因斯坦的特殊理论，它们现在被认为是等效的)改变了它们附近的时空形状。正在阅读这篇文章的你，是宇宙中的一个实体，是一团生机勃勃的物质。你有质量，你有能量。由于质量和能量，你体内、整个你以及你附近的时空现在都被扭曲了。空间和时间因你的存在而改变。

宇宙的其他部分也会做出反应。如果我们想象一个无限微小的粒子在你附近的轨道上运动(用物理学的术语来说，我们将其称为测试质量，以检查重力在没有其他影响的情况下如何表现)，我们可以询问该粒子如何响应你的存在。用牛顿的语言来说，我们会说你的身体施加了引力场，一种无形的影响，就像上好的古龙水的挥之不去的气味一样，粒子通过引力的感觉来响应这种无形的影响，从而改变它的状态。方向。

但在爱因斯坦的语言中，没有力，没有看不见的弦。只有时空，而且只有时空。在爱因斯坦对引力的彻底重新评估中，所有物体都永远沿直线运动。但这些物体必须穿越的时空在它们下方弯曲。从一个路点到另一个路点的徒步旅行者可以沿着直线行进——根据地图和他们的脚，每一步总是直接放在另一个路点的前面——但必须沿着弯道和曲线行驶(不是(更不用说那些粗糙的树根)沿着小路走，以免在荒野中迷路。

因此，物体——测试质量、行星、光束——总是沿着笔直的路径行进，但“笔直”只是指向前迈出的每一步总是直接位于前一步的前面。这些物体下方和周围的时空会弯曲，物体所经过的路径也会弯曲。

根据爱因斯坦的说法，这就是引力。质量和能量弯曲时空的形状，时空的弯曲成为一个演员，影响其他一切的路径和运动。随着引力洞察力的觉醒，爱因斯坦能够成功地将他的狭义相对论概念(即不存在固定的、普遍的参考标准)与引力结合起来。换句话说，甚至时空本身也无法免受不同观点的相对论效应的影响，而时空的突变导致了我们对引力的体验。

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