10.时空

定 义：四维“时空流形”中时间和空间维度的深层联系。

发现历史：1907年，赫尔曼·闵可夫斯基（Hermann Minkowski）把时空作为理解狭义相对论的工具。

关键突破：爱因斯坦的广义相对论描述了强引力场和相对论性运动是如何导致时空弯折和扭曲的。

重要意义：了解宇宙的时空结构对于解释宇宙中天体的行为是非常重要的。

 

在狭义相对论发表后的10年里，阿尔伯特·爱因斯坦继续研究后续理论，并提出了一种新的理念，改变了我们看待空间和时间的方式——这就是广义相对论。

1905年常常被称为爱因斯坦的奇迹年。在短短几个月的时间里，爱因斯坦连续发表了4篇论文，为20世纪和21世纪的很多物理学领域奠定了基础。通过描述光可以既像波又像粒子，爱因斯坦对光电效应做出了解释，一举解决了长期以来关于光的本性的难题。他对布朗运动的研究，即悬浮在流体中的大颗粒的奇怪且不可预测的运动，无可辩驳地证明了看不见的原子和分子的存在，而他关于狭义相对论和质能等价性的论文，则与光电效应一起，为量子物理学的兴起铺平了道路。

广义相对论

尽管如此，爱因斯坦并不满意——特别是不满意狭义相对论适用范围的局限性。他确信相对性原理也应该适用于非惯性的情况，也就是物体或观测者正在经历加速或减速的情况。因此，爱因斯坦开始考虑发展一种更广泛意义上的相对论的可能性。

广义相对论的关键在于等效原理，这是爱因斯坦在1907年发现的。当时他认识到，假设观测者能够做不受重力影响的自由落体运动，那么他/她就相当于不受任何力的作用，所以与惯性参考系等效；反之亦然，观测者在只受重力作用而自由落体时的物理定律，与以重力加速度运动时的物理定律是等效的。

以狭义相对论为基础，爱因斯坦已经证明了光线在任何快速加速的情况下都会弯曲，因此他预测光线也会在强大的引力场中弯曲。爱因斯坦进一步研究了这一假设的含义，发现强大的引力将产生类似于相对论性运动的效应，包括外观、质量和时间的扭曲。为了描述广义相对论的效果，爱因斯坦热情地采纳了他当年的老师赫尔曼·闵可夫斯基在1907年回应狭义相对论时首先提出的一个想法。

引力波是一种尚未被证实的广义相对论预测——是由极端的宇宙学事件和天体产生的时空扭曲。引力波的涟漪可以穿越宇宙。图中模型模拟了一对超级致密的黑洞在合并过程中产生的引力波（译注：首个引力波事件已于2015年由激光干涉引力波天文台探测到）。

时间和空间的结合

闵可夫斯基的时空理论描述了一个具有三个类空维度和一个类时维度的连通流形。在日常情况下，时空表现为正常的三维“欧几里得”空间和与空间无关的时间流动。在相对论的理论下，根据洛伦兹变换〔由荷兰物理学家亨德里克·洛伦兹（Hendrik Lorentz）等人在19世纪后期提出〕，类空维度可以收缩，类时维度可以扩展。

爱因斯坦的推论是，如果相对论性速度的影响可以被描述为时空的扭曲，那么引力场引起的效应也可以被描述为时空的扭曲。大质量天体扭曲了周围的时空，这会影响经过它附近的物体的惯性运动。这种效果可以通过想象来可视化。想象时空是一张大塑胶片，两个类空维度贯穿整张塑胶片，向下则是一个类时维度。当在塑胶片中间放置一个大质量物体时，它会产生一个凹坑或“引力井”，使经过它附近的观测对象的路径发生偏转。如果仅关注三个类空维度上的扭曲，其效果就像是沙漏的瓶颈处，质量集中在其最窄点。

“根据洛伦兹变换，类空维度可以收缩，类时维度可以扩展。”

证明广义相对论

1915年，爱因斯坦发表了广义相对论，当时正值第一次世界大战白热化阶段，出版的限制使得该理论需要一些时间才能传播到世界各地。为了证明该理论的潜力，爱因斯坦亲自展示了如何用它来解释水星轨道逐渐变化这一久攻不克的天文学难题。尽管如此，广义相对论直到1919年才被广泛接受，当时英国天文学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）率领一支远征队前往非洲西部的普林西比岛验证了爱因斯坦的预测。

由于广义相对论将引力解释为时空的扭曲，而不是作用在有质量物体上的力，爱因斯坦认为，极端的强引力场应该会影响到零质量光子的运动路径。爱丁顿的团队测量了日全食期间太阳附近恒星的位置——这是唯一可以看到它们的时候——结果表明星光在路过太阳时发生了偏转，偏转的方式与广义相对论预测的完全相同。虽然有些人对这次测量结果的准确性表示怀疑，但在后来的日全食期间，用更先进的仪器进行的类似观测证实了光线偏转的结果。

广义相对论和四维时空是强有力的概念，它们塑造了我们的宇宙模型，在宇宙各处的极端天体物理事件中都能找到它们的踪影。引力透镜、黑洞和宇宙大爆炸本身都证明了爱因斯坦发现的关键本质，然而，爱因斯坦也免不了会犯错误：为了解释当时看起来似乎是静止的宇宙，不受宇宙内天体引力的影响，他引入了一个被称为宇宙学常数的因子。不到十年时间，天文学的进步就使该因子变得完全多余了。

哈勃超深场揭示了天空中一个极小区域内数以千计的星系，其中最遥远的星系距离地球超过100亿光年，并且正在以接近光速的速度远离地球。