请问什么叫时空（时空是一回事吗）

本次内容来自系列视频课程

“一说万物：现代物理学百年漫谈”

第七讲：狭义相对论

7.3 时、空是一回事吗？

王一 狭义相对论_腾讯视频

系列课程介绍

20世纪是物理学的世纪。

在过去一百年中，物理学取得了空前的发展，涌现出很多新想法、新观念，其影响超越了物理领域，深刻改变了人们对世界的认识。

在《一说万物：现代物理学百年漫谈》中，来自香港科技大学的王一老师将给大家分享这些既深刻又有趣的新想法、新观念。

每期一个话题、一个概念，讲述精巧、富有启发性。来一起感受思考的乐趣吧！

在相对论里边我们经常讲“时空”，那么时间和空间是一回事吗？

首先我问大家一个简单得不能再简单的问题：“前面和上面是一回事吗？”你可能回答：“那就是一回事啊。”果真如此话，你咋不上天呢？你可以朝前跑，那你可以朝上跑吗？所以说，前面和上面有联系，也有区别。这个区别在于有地球引力，它给前面和上面造成了一定的区别。

但是，虽然有这样的区别，我们仍然可以说，前面和上面差不多是一回事。为什么这么讲？因为我们学物理或任何一门科学的时候，我们没有必要把前面的科学和上面的科学分别学一遍，我们只要学一个科学就行了，因为物理定律是旋转对称的。比如，赵四的空间参照系相对于张三的参照系旋转了一个角度，赵四参照系下y轴上的一个点，其x是0，但投影到张三参照系上，x就不等于0了。也就是说，在张三和赵四的参照系之间， x和y，即前面和上面，是可以相互转化的。在张三的参照系下，我们学习了物理规律之后，就没必要对于赵四参照系再学习一遍了。所以说，前面和上面有联系，它们几乎是一回事儿。

它们对应着一个数学结构——三维矢量，如果把物理定律或者其他定律用三维矢量的形式写出来，你不用对于前边写一份，对于上边再写一份，你写出来的是统一的定律。

我讲这些是为了给大家澄清一下概念。再被问及“前面和上面是一回事儿吗？”，你可能说是一回事儿，也可能说不是一回事儿，但是这只是你心目中“一回事”的概念或者标准不一样而已。我相信大家都明白，“前面”和“上面”在什么意义上是一回事，在什么意义上不是一回事。

那么时间和空间呢，时间和空间是一回事吗？类似的，它们有联系、有区别。

时间和空间的联系。我们没有必要分别学习关于时间和关于空间的物理。从物理内容上讲，时间和空间是对称的，可以通过一些对称变换联系起来。比如，在赵四的参照系下，对于赵四而言，空间坐标等于0、纯粹是时间的一条线，投影到张三的参照系上，空间的坐标就可以不等于0了。时间和空间对不同运动状态的观测者而言，是可以互相变换的，是对称的。

用数学结构来描述，这对应四维矢量。它是三维矢量的推广，在这儿我们不详细讲述。

这是时间和空间的联系，它们在物理上可以相互变换，但是这和前面我们讲的“前面”和“上面”的联系还有一点不同，就是：你不能把一个人的时间完全的变成另一个人的空间，只能一定意义上产生一点空间的分量而已。

时间和空间的区别。直觉上，时间和空间当然是有区别的。它们的区别是从哪来的呢？

据说有一种鲨鱼，从生到死，它们必须不停地游泳，不停地游泳，一刻不得停息！因为这种鲨鱼一则没有鱼鳔，停下来也就沉下去了；而更重要的是，这种鲨鱼还只有鳃裂，只有当游动中水迎面而来，它才能呼吸。要活下去，就必须不停的运动。这是这种鲨鱼在三维空间中的宿命。

我们在四维的时空中有同样的宿命。即使我们在三维空间中没有运动，从四维的时空图看，我们仍然一直在运动：沿着时间轴运动。我们没有选择，必须沿着时间轴运动。如果我们在空间中有运动，这只不过是把时间轴上的运动分到空间上一部分而已，这也是“钟慢尺缩”效应的来源。时间和空间的本质区别就是：我们没有选择，必须要沿着时间轴运动，或者说沿着时空图里斜率大于45度的线运动。

可见，我们是“生命不息，运动不止”的。如果你在家宅着，有人劝你出去运动运动，这时你可以告诉他：“我现在就在运动，我正在时间轴上运动，并且运动的速度是光速。”

当然，这只是体现出来的现象，还并不是时间和空间的本质区别。要看到时间、空间区别的本质，就要用更多的数学，这里我们就不讲了。但是，我可以简要的说一点，即时间本质上相当于i空间。这里，i是虚数单位，也就是说，从很多意义上来讲，时间和空间差一个虚数单位。

我们再回到空间的相似性，前面我们讲到空间是有相似性的，“上面”和“前面”这两个概念基本上是一样的。但是我们语文课上学过：“太行王屋二山，方七百里，高万仞。”你是否有疑问，“前面”和“上面”不是两个基本上相同的概念吗，为什么用“里”和“仞”两个不同的单位？

当然，我们知道爬山总是比较困难的，所以山的高度在古代经常用一个特殊的单位“仞”来形容，但是如果你做物理研究，对于“前面”和“上面”取不同的单位，不是自找无趣嘛？我们用一个同样的单位就好了。

同样的问题——现在我们发现时间和空间也是有很大的联系的，它们一定程度上也是类似的，甚至你可以说，它们一定意义上是同样的概念，那么你何必用不同的单位呢？确实，在研究基础物理的时候，我们经常把时间和空间取成同样的单位，具体的操作就是把光速c取成1。这样，我们可以用光秒（光走一秒的距离）去衡量长度。

而在量子力学中，之前的课程上我们已经知道，一个光量子的能量和频率之间有一个关系。能量和频率的联系告诉我们，我们可以取约化普朗克常数hbar等于1。在统计物理中，我们知道能量和温度又有一个关系，那么我们又可以取玻尔兹曼常数kB等于1。

c=1，hbar=1，kB=1，这就是自然单位制。研究基础物理时，自然单位制通常会为我们带来便利。

有的人就要更进一步，研究“超自然单位制”。什么叫超自然单位制？我把π也写成1，把2也写成1……这样是不是什么数字都不用算了？超自然单位制，当然这是一句笑话，但实际上，这种所谓的“超自然单位制”的思想，是非常重要的。

这个思想就是量纲分析，也就是说，你不在乎前边的π，2这样的系数，你在乎的是它们的量纲。有了量纲分析的思想，你就可以很快的去估算一些物理量的大小。比如说，美国第一颗原子弹爆炸的时候，就有一位物理学家利用量纲分析的方法，通过新闻报纸上边的图片就估算出了原子弹爆炸的当量。美国国家安全部门就非常紧张，以为他是个间谍，偷盗了什么不为人知的情报，实际上只是通过报纸上的图片和简单的量纲分析而已。

导师简介

王一：中国科学技术大学本科，中国科学院理论物理研究所博士。现任香港科技大学副教授，研究领域为理论宇宙学。近期的主要研究兴趣是将物理学中最大的物体和最小的物体联系起来，用早期宇宙的遗迹研究基本粒子物理。其他研究方向还包括早期宇宙模型、暗能量、暗物质、原初黑洞、引力波等。曾获香港大学教育资助委员会青年学者奖、被学生评选为最喜欢的教师。

系列课程内容

第一讲：概述物理学的世纪

1.1 一百年前，我们知道什么？

1.2 更小：从打地鼠到光电效应

1.3 更高：“上帝”的菜单

1.4 更快：什么是相对论？

1.5 从简单的定律到复杂的宇宙

第二讲：现代物理学之光

2.1 什么是现代物理学之光？

2.2 光是粒子还是波动？

2.3 你见过波动着的粒子吗？

2.4 什么是波粒二象性？

第三讲：漫游量子世界

3.1 从聊斋志异到量子隧穿

3.2 不确定性原理：拯救世界的大英雄

3.3 非同寻常的测量

3.4 薛定谔猫死了吗？

第四讲：原子

4.1 世界为什么是由原子组成的？

4.2 花粉颗粒为什么会跳舞？

4.3 从氢原子到万物

第五讲：熵与信息

5.1 大吃一斤，什么增加了？

5.2 时间箭头：谁偷走了你的时间？

5.3 麦克斯韦的妖精教你什么是新闻

第六讲：复杂

6.1 从“兔子函数”到“三生万物”

6.2 三体星人为什么算不对飞星？

6.3 海岸线是无穷长的吗？

第七讲：狭义相对论

7.1 钟变慢，尺缩短

7.2 天涯共此时吗？

7.3 时空是一回事吗？

7.4 时光能倒流吗？

第八讲：广义相对论

8.1 等效原理：引力是幻觉吗？

8.2 弯曲空间，引力退散

8.3 黑洞：天上一天，地上一年

第九讲：宇宙

9.1 晚上天会黑，因为宇宙年龄有限

9.2 什么是暗物质和暗能量？

9.3 终极理论之梦

墨子沙龙是以中国先贤“墨子”命名的大型公益性科普论坛，由中国科学技术大学上海研究院主办，中国科大新创校友基金会、中国科学技术大学教育基金会、浦东新区科学技术协会、中国科学技术协会及浦东新区科技和经济委员会等协办。

墨子是我国古代著名的思想家、科学家，其思想和成就是我国早期科学萌芽的体现，“墨子沙龙”的建立，旨在传承、发扬科学传统，建设崇尚科学的社会氛围，提升公民科学素养，倡导、弘扬科学精神。科普对象为热爱科学、有探索精神和好奇心的普通公众，我们希望能让具有中学及以上学力的公众了解、欣赏到当下全球最尖端的科学进展、科学思想。

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