如何思考一個(gè)四維宇宙 _宇宙

SDSSJ0146-0929的哈勃圖像，這是一個(gè)大到足以嚴(yán)重扭曲其周圍時(shí)空的星系團(tuán) 。有可見恒星和氣體的質(zhì)量，但也有隱藏的暗物質(zhì)增加了星團(tuán)的質(zhì)量。鳴謝:歐空局/哈勃&美國國家航空航天局；鳴謝:朱迪·施密特
據(jù)《今日宇宙》（保羅·m·薩特）：在愛因斯坦著名的相對論中，不變的空間和時(shí)間的概念不僅被擱置一邊，而且被明確地、斷然地否定了。空間和時(shí)間現(xiàn)在被編織成一個(gè)共存的織物。也就是說，我們真正生活在一個(gè)四維宇宙中。只有空間和時(shí)間不再存在；只有這些維度的聯(lián)合仍然存在。
這就是物理學(xué)家給出的一個(gè)詞:時(shí)空。上班時(shí)從辦公桌上拿四支鋼筆。從兩個(gè)開始，在你的桌子上畫一個(gè)十字，這樣他們兩個(gè)互相垂直。現(xiàn)在添加第三支鋼筆，并將其放置在垂直于前兩支鋼筆的位置。要做到這一點(diǎn)，你不能再讓鉛筆放在桌子上，因?yàn)樽雷邮且粋€(gè)二維平面。你必須把我們的裝置舉在空中，這是我們所熟悉的三維世界的一部分。
但是我們并不是生活在一個(gè)僅僅是三維的世界里。拿起你的第四支筆，穿過其他三支筆，使它完全垂直于它們。也不要作弊:小于90度的角度都不行。
你不能。只有三個(gè)空間維度。而且除此之外，你甚至想不到第四維空間，因?yàn)槲覀兊拇竽X是在三維世界中進(jìn)化的(有一些人聲稱他們可以想象第四維，但我懷疑他們要么在撒謊，要么只是在自欺欺人) 。
但是，雖然你不能在你的頭腦中持有第四維度的概念，你可以體驗(yàn)它。從過去到未來的時(shí)間流是它自己的維度。你拿著你那奇怪的鋼筆排列，跨越了時(shí)間的維度，從你第一次把它放在一起的那一刻開始，直到它全部散架。在那段時(shí)間里，你創(chuàng)作了一個(gè)四維雕塑。
物理學(xué)家把三個(gè)空間維度和一個(gè)奇異的時(shí)間維度結(jié)合到時(shí)空的統(tǒng)一框架中。在牛頓物理學(xué)中，時(shí)空是舞臺(tái)，而我們——宇宙的物體和內(nèi)容——是演員。我們擊中我們的標(biāo)記，說我們的臺(tái)詞，舞臺(tái)提供了我們表演互動(dòng)的背景。我們知道同一個(gè)舞臺(tái)上其他演員的位置——他們在指定的提示下各就各位說臺(tái)詞。
但是在廣義相對論中，舞臺(tái)本身變成了主演，名字印在節(jié)目單上。為了使引力理論與時(shí)空(現(xiàn)在的時(shí)空)的相對論相容，愛因斯坦意識(shí)到引力根本不是一種力，至少不是牛頓設(shè)想的那種力。
時(shí)空不是一個(gè)固定的階段，而是一個(gè)充滿整個(gè)存在的彈性膜。它是一個(gè)事物，一個(gè)有自身權(quán)利的物體和實(shí)體，一個(gè)宇宙中角色的動(dòng)態(tài)演員。宇宙由通常的各種粒子和輻射以及它們所有奇妙的相互作用組成，這些相互作用不是發(fā)生在時(shí)空之上，而是與時(shí)空一起發(fā)生，現(xiàn)在時(shí)空也加入了它們的行列。
質(zhì)量和能量(不需要嚴(yán)格分離，因?yàn)橛捎趷垡蛩固沟奶厥饫碚摚鼈儸F(xiàn)在被認(rèn)為是等價(jià)的)改變了附近時(shí)空的形狀。你，閱讀這篇文章的人，是宇宙中的一個(gè)實(shí)體，是一團(tuán)欣欣向榮的物質(zhì) 。你有質(zhì)量和能量。由于這種質(zhì)量和能量，你內(nèi)、你內(nèi)、你附近的時(shí)空現(xiàn)在被扭曲了。空間和時(shí)間因?yàn)槟愕拇嬖诙淖?。
宇宙的其他部分也會(huì)回應(yīng) 。如果我們想象一個(gè)無限小的粒子在你附近的軌道上運(yùn)行(用物理學(xué)的說法，我們稱之為測試質(zhì)量，以檢查重力在沒有其他影響的情況下如何表現(xiàn))，我們可以問這個(gè)粒子如何響應(yīng)你的存在。用牛頓的語言來說，我們會(huì)說你的身體施加了一個(gè)引力?。?一種無形的影響，就像好的古龍水的揮之不去的味道，粒子通過重力的感覺來回應(yīng)這種無形的影響，這改變了它的方向。
但是在愛因斯坦的語言中沒有力，沒有看不見的弦。只有時(shí)空和孤獨(dú)的時(shí)空。在愛因斯坦對引力的徹底重估中，所有物體都是直線運(yùn)動(dòng)的，永遠(yuǎn)都是。但是這些物體必須穿越的時(shí)空會(huì)在它們下面彎曲。一個(gè)徒步旅行者從一個(gè)路點(diǎn)到另一個(gè)路點(diǎn)可以走直線——根據(jù)地圖和他們的腳，每走一步都一直在另一個(gè)人的正前方——但必須沿著小路走彎路和彎道(更不用說多節(jié)的樹根了),以免在荒野中迷路。
因此，物體——測試質(zhì)量、行星、光束——總是沿著直線路徑行進(jìn)，但“直線”只是指向前的每一步總是直接位于前一步的前面。這些物體下面和周圍的時(shí)空會(huì)彎曲，物體的路徑也會(huì)彎曲。
根據(jù)愛因斯坦的說法，這就是重力。質(zhì)量和能量彎曲了時(shí)空的形狀，時(shí)空的彎曲成為一個(gè)演員，影響著其他一切的路徑和運(yùn)動(dòng) 。隨著引力洞察力的覺醒，愛因斯坦能夠成功地將他的狹義相對論概念——沒有固定的、普遍的參考標(biāo)準(zhǔn)——與引力結(jié)合起來。換句話說，甚至?xí)r空本身也不能免于不同觀點(diǎn)的相對論效應(yīng)，而時(shí)空的突變產(chǎn)生了我們對重力的經(jīng)驗(yàn) 。