什么是时空？基本问题仍需完善和发展

北京时间12月26日消息，据国外媒体报道，时空（时间-空间）结构是三维空间与四维时间相结合的概念模型。根据目前最好的物理理论，时空解释了物体在接近光速时产生的不同寻常的相对论效应，以及宇宙中大型物体的运动。

谁发现了时空？

著名的物理学家阿尔伯特·爱因斯坦在他的相对论中拓展了时空的概念。在他的开创性工作之前，科学家用两种不同的理论来解释物理现象，分别是牛顿的物理定律和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的电磁模型，前者描述了大质量物体的运动，后者则解释了光的属性。

然而，在19世纪末进行的实验表明，光有其特殊之处。测量结果显示，无论发生什么情况，光总是以同样的速度传播。1898年，法国物理学家和数学家亨利·庞加莱（Henri Poincare）推测，光速可能是一个无法超越的极限。大约在同一时间，其他研究人员也在思考物体的大小和质量随速度变化的可能性。

爱因斯坦在1905年提出了狭义相对论，将所有这些观点综合在一起。狭义相对论假设光速是一个常数，要做到这一点，空间和时间必须结合成一个单一的框架，保证所有观察者看到的光速是相同的。

一个乘坐超高速火箭的人，与一个以慢得多的速度旅行的人相比，其观察到的时间流动将更慢，物体的长度更短。这是因为空间和时间是相对的，都取决于观察者的速度。因此，光速是比这两者更基本的概念。

时空是单一结构的结论不是爱因斯坦自己得出的。这个想法来自德国数学家赫尔曼·闵可夫斯基（Hermann Minkowski），他在1908年的一次学术会议上说：“从今以后，单是空间或是时间，都注定要隐没入阴影之中，只有二者的结合才能维系一个独立的现实。”

他所描述的时空仍然被称为闵可夫斯基时空，是相对论和量子场论的计算背景。天体物理学家和科学作家伊桑·西格尔（Ethan Siegel）表示，在量子场论中，亚原子粒子的动力学被描述为场。

时空是如何运作的？

如今，当人们谈论时空时，他们通常把它描述成像一张橡皮膜。这也来自于爱因斯坦，他在发展广义相对论的过程中认识到，引力的产生是由于时空结构中的弯曲。

巨大的物体——如地球、太阳等——都会在时空中造成扭曲。这些弯曲反过来又限制了宇宙中所有物体运动的方式，因为物体必须沿着弯曲的曲率运动。引力引起的运动实际上是沿着弯曲的时空在运动。

2011年，美国国家航空航天局（NASA）的引力探测器B（Gravity Probe B，简称GP-B）任务测量了地球周围时空漩涡的形状，发现其与爱因斯坦的预测非常吻合。但对大多数人来说，时空结构的弯曲仍然难以理解。虽然我们可以把时空比作一张橡皮膜，但这种类比最终还是站不住脚。橡皮膜是二维的，而时空是四维的。这张膜不仅要代表空间上的扭曲，也要代表时间上的扭曲。对物理学家来说，用来解释这一切的复杂方程组也很棘手。

“爱因斯坦制造了一台漂亮的机器，但他没有给我们留下用户手册，”天体物理学家保罗·萨特（Paul Sutter）写道，“为了让大家能够理解，广义相对论已经变得十分复杂，以至于当有人发现方程的解时，他们就会以自己名字为其命名，并凭借自己的能力成为半传奇人物。”

科学家还不知道的

尽管相对论十分复杂，但它仍然是解释我们已知物理现象的最佳理论。不过，科学家也知道目前的模型仍是不完整的，因为相对论仍然没有完全与量子力学相统一。量子力学非常精确地解释了亚原子粒子的属性，但并没有包含万有引力。

量子力学基于这样一个事实：组成宇宙的微小粒子是离散的，或者说量子化的。因此光子（组成光的粒子）就像小块的光，以不同的方式出现。

一些理论物理学家推测，或许时空本身也以这些量子化的块体形式存在，这将有助于架起相对论和量子力学之间的桥梁。欧洲空间局（ESA）的研究人员提议成立“用于时空量子探索的伽马射线天文学国际实验室”（Gamma-ray Astronomy International Laboratory for Quantum Exploration of Space-Time，简称GrailQuest），这项任务将绕着地球飞行，对遥远宇宙的伽马射线暴进行超精确测量，从而进一步揭示时空的性质。

这样的任务至少要15年以后才会发射，但如果发射成功，它很可能将帮助科学家解决物理学中最大的谜团。

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