為什麼時間一定是一個維度？時間和空間組合，密不可分的獨特結構

我們是如何在宇宙中穿行移動的？關於這個問題的答案，您可能會想到我們可以在任何方向自由移動，向前向後，或者向左向右，或者向上向下。這三組獨立的運動方向，簡而言之就是網格運動，它描述了一個人能夠穿越宇宙的所有可能方式。

但這三個維度遠非一切。第四個維度時間同樣重要，即使它是那麼的不同。我們總是在時間中向前邁進，當然它與任何空間緯度一樣都只是一個維度。無論你認為我們生活在一個由時空結構描述的四維宇宙中，還是3 1維宇宙中，我們都面臨著三個空間維度加一個時間維度的現實。想要保持物理上正確，你就不能將這些實體彼此分開，接下來讓我們試著理解一下為什麼。

大部分人類都生活在在地球表面。當我們想要描述我們所處的位置時，我們通常只需要給出兩個坐標：緯度和經度。僅僅用這兩個值，就可以描述我們位於地球的南北和東西軸線的位置，而第三個維度是毋庸置疑的：我們在地球表面。

但是如果您願意生活在地下或在地表上方的空中飛行，則需要第三個坐標來準確描述您的位置：高度或者深度，也就是您在上下軸的位置。畢竟一個與您位於相同緯度和經度的人 ，或者說相同的二維坐標的人，可以很容易地存在於地下隧道或者升空的直升機中。所以你們不一定位於同一個確切的位置， 於是我們就需要三條獨立的信息來確定您在太空中的位置。

但即使是具有完全相同三維空間坐標的兩個不同物體也可能不會重疊，原因很容易理解。你現在開始考慮思考一下你坐的椅子，它絕對可以通過我們熟悉的三個空間坐標精確描述其位置： x， y和 z。然而這把椅子現在被你佔據，就在此時此刻，而不是昨天，也不是一小時前，或者下周或者十年後。

為了完整地描述時空中的事件，您需要了解的不僅僅是它發生的位置，還要知道它何時發生。除了 x， y和 z之外，還需要一個時間坐標： t。雖然這看似顯而易見，然而在愛因斯坦相對論的發展之前，當物理學家開始思考同時性問題的時候，這個理論卻沒有發揮重要作用。

如果您願意的話，想像一下兩個獨立的位置，點A和點B通過路徑連接。設想一種場景，一個人從A開始行走，而另一個人從B開始，他們每個人都朝著另一個點前進。您可以試著將左右手的一根手指分別放在A和B處，然後將它們慢慢挪動到各自的目的地，來讓他們的位置可視化。從A點開始的人沒有辦法在不遇到另一個人的情況下到達B點，而從B點開始的人同樣無法在不遇到對面的人的情況下到達A點。

換句話說，為了讓每個人到達他們的目的地，你的兩個手指在移動過程中需要同時佔據同一個位置。在相對論中，這被稱為同時發生的事件: 兩個不同物理對象的所有空間和時間坐標重疊。這不僅沒有爭議，而且在數學上可以證明。

這個有關思想的實驗，解釋了為什麼時間是一種我們在宇宙空間中穿行的維度，就像我們所經歷的空間維度一樣。然而將空間和時間放在一起，形成一種讓它們無法分離的獨特結構，並不是愛因斯坦的發現。愛因斯坦的前教授赫爾曼閔可夫斯基，發現了這兩個實體是如何密不可分。

在愛因斯坦首次介紹他的狹義相對論之後不到三年，閔可夫斯基用一種聰慧的推理方式證明了它們的統一。如果你想在太空中穿行，你不能瞬間完成; 你必須從現在的位置移動到另一個空間位置，你只能在未來到達某個點。如果你現在在這裡，你就不可能在同一時間在其他地方，你只能在以後到達那裡。穿越太空同樣需要你穿越時間。

愛因斯坦1905年發表的狹義相對論，闡述了人在空間中的運動和在時間中的運動之間的數量關係。它告訴我們，真空中的光速是一個普遍適用的速度極限，當你接近它時，你會經歷長度收縮和時間膨脹的奇異現象。

但是當閔可夫斯基意識到，在數學上穿越時間的運動和穿越空間的運動完全一樣時，他向前邁出了一大步，除了兩個額外的乘法因子:代表真空中的光速C，和虛數√(-1)I。在第一次完成時空推導之後，閔可夫斯基發表了演講: 從此以後，空間和時間本身都註定要消失成純粹的陰影，只有二者的結合才能保持獨立的現實。

當你把這些發現放在一起，就會得到一個宇宙的圖景，與你憑直覺得到的宇宙圖景截然不同，後者基於牛頓關於絕對空間和絕對時間的舊觀念。特別是當你在宇宙中移動時，你會經歷空間和時間如何流逝的變化。下面是三種可能發生的場景：

如果你靜止不動，保持在相同的空間位置，你就會以最大的速度前進。

當你在空間中移動得越快，你在時間中的移動就會越慢，時間會膨脹，而沿著運動方向的空間距離也會顯得越短，距離會收縮。

如果你沒有質量，你將別無選擇，只能以光速運動。沿運動方向的距離將收縮到零，你會立刻穿過它們。同樣時間會膨脹到無窮大，從你的角度來看，你的旅程不會花費任何時間。

當你細細思考這些研究的物理含義時，你會發現它們很驚人。你可以知道所有的無質量粒子本質上都是穩定的;由於在它們的參照系中沒有時間經過，它們永遠不會衰變。即使壽命極短，所產生的不穩定顆粒，也可以通過將它們的速度與它們存在的時間相乘，來實現遠超您想像的更遠的距離。

舉個例子，一對同卵雙胞胎，其中一個留在地球上，另一個進入太空旅行，他們將以不同的速度變老，經歷太空旅行的雙胞胎中的一個，當他返回地球時候，會發現自己比留在地球的雙胞胎兄弟更年輕，因為他經歷的時間更少。

你不能把空間和時間分開處理，因為它們不可分割地聯繫在一起的。不管時空的其他特性如何，通過其中一個會影響你通過另一個的運動。今天狹義相對論已經被廣義相對論所取代，廣義相對論也包含了空間本身固有的曲率。不管你所居住的宇宙的性質如何，你在空間和時間中的運動不能彼此分開處理，你需要它們兩個一起來描述你的現實。

時間和空間一樣，是一個存在的維度，因為無論你如何在空間中提升自己，你必須始終在時間中前進。有時候我們會說宇宙是3 1維的而不是4維的，因為時間存在於一個稍微獨立的基礎上的: 增加你在空間中的運動會減少你在時間中的運動，反之亦然。

也許愛因斯坦相對論最引人注目的事實是，任何人，無論他們相對於其他人如何在空間中運動，都會看到相同的規則來控制他們在空間和時間中的運動。改變你在空間中的運動，將會對你在時間中的運動產生可預測的影響和結果。無論何時，當你在相同的空間和時間坐標中遇到另一個觀察者時，在那個時刻你們雙方達到了同步，這點毫無異議。

如果時間不是一個具有確切特性的維度，那麼狹義相對論將會變得無效，我們將不能構造時空來描述我們的宇宙。時間成為一個無法從空間中分離出來的維度，這樣物理學才可能以它的方式起作用。當有人問你我們是否生活在三維宇宙中，請自豪地加「 1」，讓我們向時間致敬。

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