如何思考一个四维宇宙

第三只手烈

SDSSJ0146-0929的哈勃图像，这是一个大到足以严重扭曲其周围时空的星系团。有可见恒星和气体的质量，但也有隐藏的暗物质增加了星团的质量。鸣谢:欧空局/哈勃&美国国家航空航天局；鸣谢:朱迪·施密特

（）据《今日宇宙》（保罗·m·萨特）：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一边，而且被明确地、断然地否定了。空间和时间现在被编织成一个共存的织物。也就是说，我们真正生活在一个四维宇宙中。只有空间和时间不再存在；只有这些维度的联合仍然存在。

这就是物理学家给出的一个词:时空。上班时从办公桌上拿四支钢笔。从两个开始，在你的桌子上画一个十字，这样他们两个互相垂直。现在添加第三支钢笔，并将其放置在垂直于前两支钢笔的位置。要做到这一点，你不能再让铅笔放在桌子上，因为桌子是一个二维平面。你必须把我们的装置举在空中，这是我们所熟悉的三维世界的一部分。

但是我们并不是生活在一个仅仅是三维的世界里。拿起你的第四支笔，穿过其他三支笔，使它完全垂直于它们。也不要作弊:小于90度的角度都不行。

你不能。只有三个空间维度。而且除此之外，你甚至想不到第四维空间，因为我们的大脑是在三维世界中进化的(有一些人声称他们可以想象第四维，但我怀疑他们要么在撒谎，要么只是在自欺欺人)。

但是，虽然你不能在你的头脑中持有第四维度的概念，你可以体验它。从过去到未来的时间流是它自己的维度。你拿着你那奇怪的钢笔排列，跨越了时间的维度，从你第一次把它放在一起的那一刻开始，直到它全部散架。在那段时间里，你创作了一个四维雕塑。

物理学家把三个空间维度和一个奇异的时间维度结合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。我们击中我们的标记，说我们的台词，舞台提供了我们表演互动的背景。我们知道同一个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。

但是在广义相对论中，舞台本身变成了主演，名字印在节目单上。为了使引力理论与时空(现在的时空)的相对论相容，爱因斯坦意识到引力根本不是一种力，至少不是牛顿设想的那种力。

时空不是一个固定的阶段，而是一个充满整个存在的弹性膜。它是一个事物，一个有自身权利的物体和实体，一个宇宙中角色的动态演员。宇宙由通常的各种粒子和辐射以及它们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，现在时空也加入了它们的行列。

质量和能量(不需要严格分离，因为由于爱因斯坦的特殊理论，它们现在被认为是等价的)改变了附近时空的形状。你，阅读这篇文章的人，是宇宙中的一个实体，是一团欣欣向荣的物质。你有质量和能量。由于这种质量和能量，你内、你内、你附近的时空现在被扭曲了。空间和时间因为你的存在而改变。

宇宙的其他部分也会回应。如果我们想象一个无限小的粒子在你附近的轨道上运行(用物理学的说法，我们称之为测试质量，以检查重力在没有其他影响的情况下如何表现)，我们可以问这个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一个引力场，一种无形的影响，就像好的古龙水的挥之不去的味道，粒子通过重力的感觉来回应这种无形的影响，这改变了它的方向。

但是在爱因斯坦的语言中没有力，没有看不见的弦。只有时空和孤独的时空。在爱因斯坦对引力的彻底重估中，所有物体都是直线运动的，永远都是。但是这些物体必须穿越的时空会在它们下面弯曲。一个徒步旅行者从一个路点到另一个路点可以走直线——根据地图和他们的脚，每走一步都一直在另一个人的正前方——但必须沿着小路走弯路和弯道(更不用说多节的树根了),以免在荒野中迷路。

因此，物体——测试质量、行星、光束——总是沿着直线路径行进，但“直线”只是指向前的每一步总是直接位于前一步的前面。这些物体下面和周围的时空会弯曲，物体的路径也会弯曲。

根据爱因斯坦的说法，这就是重力。质量和能量弯曲了时空的形状，时空的弯曲成为一个演员，影响着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——没有固定的、普遍的参考标准——与引力结合起来。换句话说，甚至时空本身也不能免于不同观点的相对论效应，而时空的突变产生了我们对重力的经验。