只能感知三个维度的我们，该如何理解时间和时空？
时空概念背后有一个观念，就是把时间看作一个维度。这个时间的维度加入到我们熟悉的三维空间中，总共就有四个维度了。但人类的感官只能感知三个维度。那我们如何理解时间和时空呢？
时间的维度
为了容易理解，我们先要减少涉及的维度的数量，把世界看作一维的，也就是一条直线。在这个世界上，只存在点和短线（也就是线性的物体），这些物体只能沿着直线运动。
我们假设这条线上有三个点：一个点保持不动，另外两个点相向运动，然后它们相互碰撞再弹回来。
但是这些现象还能有另一种方法来解释。
图中展现的二维时空，横轴代表着空间维度，纵轴代表着时间维度。在特定时刻，我们的感官可以察觉到的，就是缝隙表现出的就是一维世界。这条缝隙的运动和时间的流逝是一致的。
你会注意到，从一维的眼光看，情景是活动的：有会运动的点，有撞击，等等；而从时空的二维眼光看，情况就不同了：没有运动的点，只有固定的线条。我们把这些线条叫作“宇宙线”。
接下来是一个毛毛虫的例子。
当缝隙在图像上滑动，从缝隙中，我们可以看到一条处于一维世界的毛毛虫在一条线上通过延展收缩，向前行进。这个景象就是身处一维空间的生物随着时间的流逝可以看到的内容：这就是他们的现实。在这个世界中，没有人可以看到缝隙下的图像的全貌也就是二维空间（宇宙平面）中的波浪形的长条，因为它在时间之外。
这个波浪形的长条只在时空中存在：它拥有（水平的）空间维度和（垂直的）时间维度，这是一个时空物体。
从缝隙的视角，宇宙看上去是运动的：一条一维世界的毛毛虫改变自己的形状并且在移动。可是从隐藏的时空的视角，情况就不是这样了，一切都是静止的，只有一条二维世界中的不变的长条。
然而，二维世界的波浪形的长条是真实存在的吗？它不是为了再现一维世界的毛毛虫运动而画的东西吗？
四维时空
接下来，我们可以对二维空间中的物体做同样的实验：它们的时空就是三维的了。
例如，我们来想象一个圆和一个正方形在平面上运动。假设圆沿着一个圆形的轨道运动， 而正方形进行自转运动。在之前图像上使用的活动的缝隙现在被一个活动的平面代替。现在和感官世界相对应的，是在平面上出现的情景。二维空间中的圆和正方形就是三维空间中的柱体的截面。
同样地，对于三维空间中的物体来说（我们日常生活中的普通物体），时空是四维的。因此，我们习以为常的物体是四维物体在三维世界中的截面，但四维物体没法画出来，我们只能感知到四维现实在三维世界中的截面。正如一维世界的生物无法感知二维时空一样，我们这些生活在三维空间里的人类，无法感知四维时空。
值得指出的是，画三维时空要比画二维时空难得多，而且如我们之前说过的，我们不可能画出四维时空。这就是为什么我们在这里只讨论二维时空：因为这个比较容易用图像体现。但是二维时空和四维时空并没有本质上的不同。基本观念是一样的：时间要被看作是补充维度。
这个现象也会发生在我们日常生活中的物品上：当一个球被扔出去，落在某处的球就不是在之前地方的那个球了，这是两个不同的球，是四维时空中“柱体”的不同截面。
对于我的身体来说，情况是一样的吗？
是的。如果我从左向右移动，我移动到右边的身体和我之前在左边的身体就不一样了：这是两个不同的身体，是四维世界中身体的两个不同的部分。
作者简介
斯蒂芬·杜兰德（Stéphane Durand）理论物理学家，在加拿大蒙特利尔大学数学研究中心从事教学和科研工作，曾获得蒙特利尔大学最佳物理教师奖。
发表于 2018-8-31 05:03
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