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施郁 时空这个概念源于狭义相对论。1905年，爱因斯坦在光速不变的前提下提出狭义相对论。德国数学家闵可夫斯基注意到，这使得时间成为3个空间坐标外的第4个坐标，时间和空间构成一个数学上的四维整体，叫做时空。 之所以说是整体，是因为光速不变导致这个四维坐标系可以随意旋转和移动，而不改变物理规律。也就是说，一个参照系（即坐标系）的时间坐标与另一个参照系的时间坐标和空间坐标都有关系。在我们的日常经验中，因为没有光速不变这个假设，不同参照系的时间一样。这就是为什么很多人难以理解相对论。 在四维时空坐标系中，粒子的运动表现为一条线，叫做世界线。定量上，我们将时间乘以光速c作为第四维。没有引力时，光沿直线传播，走过的距离等于所花的时间乘以光速，因此光的世界线是与时间轴呈45度的直线。 从某个时空点出发，光的各种传播方向对应的世界线构成一个锥面，叫光锥面。匀速运动或静止的粒子的世界线也是一条直线（牛顿第一定律），位于光锥之内（因为速度不能超过光速），也就是处于光的世界线和时间轴之间。为了便于想象，可以将空间简化为二维。但是对于三维空间，这些说法也是成立的，只是光锥面成了三维。 三维空间中点到点之间称为空间间隔，而四维空间里类似的概念叫做时空间隔（spacetime interval）。从几何学的角度来说，没有引力时，四维时空是平直的。 时空间隔的平方定义为光速平方乘以时间间隔平方减去（而不是加上）空间间隔平方。只有这样定义，时空间隔的平方才不依赖于坐标系。比如对于光来说，走过的距离等于光速乘以时间，所以光速平方乘以时间的平方减去距离的平方等于0，光的时空间隔总是0。 在互相匀速运动的不同坐标系中，光速都一样，导致任何时空间隔的平方不依赖于四维坐标系的选择，也就是说，在四维坐标系的旋转和移动下保持不变。 如果选择运动物体本身作为坐标系，因为它自己的空间坐标保持不变，所以时空间隔也就是它的固有时间间隔。 为了理解上面的文字，看一下诺奖官方材料中的一个图。 上面的左图和右图等下文再解释，现在先看最下面的图，这是一个光锥，时间轴向上，从过去（PAST）指向未来（FUTURE）,而且其实是光速乘以时间。中间的黑点代表现在（PRESENT），虚线包围的圆锥体代表过去，也就是粒子或光能够到达现在的所有可能的过去时空，实线包围的黄色圆锥体代表从现在出发，未来所有可能到达的时空。 任何世界线都是从过去经过现在，到达未来，而不能到光锥之外。有质量的粒子的世界线必须是在光锥之内。光或者其他没有质量的粒子的世界线必须是沿着光锥面的直线。 排版丨刀刀 |
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