深度长文：品味时间与空间，静止与运动的奥秘！（建议收藏）

我们的宇宙起源于何时？又将在哪一天终结？如果宇宙有一个开端的话，那么开端之前又是什么样的存在方式呢？

很多人在闲暇无聊的时候，都思考过这样的问题，这也属于宇宙的终极奥秘。要想从更深层次认识我们的宇宙，我们需要从最基本的开始。

比如说静止和运动的关系。

古人对于静止和运动的关系的认识是很简单的，比如说，亚里士多德就认为，自然界中物体的自然状态就是静止的，必须受到外力作用，物体才会运动，而且更重的物体下落的速度也会更快。

不过后来的伽利略通过一个著名的实验推翻了亚里士多德的结论，这个实验很多人都听说过。

在一个高塔上，亚里士多德把两个重量不一样的铁球从高塔上丢下来，结果发现两个铁球是同时落地的，落地速度是一样的。当然，如果把其中一个铁球换成羽毛，肯定是铁球下落的速度更快，我们都知道这点，因为羽毛受到空气阻力的影响更大。如果在月球上做同样的实验，铁球和羽毛肯定是同时落下的，宇航员也证实了这点。

如今我们知道，力并不是物体运动的原因，而是改变物体运动状态的原因。只要物体不受任何外力，或者受到的外力合起来为零，那么物体就会一直做匀速直线运动，而并不一定保持静止。

这就是牛顿第一定律。

而著名的牛顿第二运动定律表明，物体在受到外力作用时，速度的改变程度，也就是加速的大小与所受外力的大小成正比，与物体的质量成反比。所以，亚里士多德做的铁球实验中，虽然两个铁球质量不同，但所有的地球引力也不同，两者相互抵消，结果两个铁球的速度就是一样的。

牛顿定律不但告诉了我们速度与加速度之间的关系，还表明物体之间的引力随着距离增加而减小。

牛顿定律让人类意识到，宇宙中并不存在绝对静止的物体，任何物体都一直在运动。

这也是为什么我们经常说“坐地日行八万里”的原因。你看起来坐在那里移动不动，但你只是相对地球静止，而地球，太阳系甚至整个银河系都在不停地运动当中。

以上对静止和运动的认知都很简单，接下来我们进行更深入的探讨。

虽然我们知道了静止和运动其实都是相对的，但人们的日常生活认知表明，时间和空间是绝对的。无论你是静止还是运动，你就在那里，在某一个空间待着，然后你的时间也在一分一秒流逝着。

不管在任何眼里，都是如此，你都在那里，而且你的运动或者静止并不会影响你的时间流逝速度。言外之意，任何人的时间流逝速度其实都是一样的。

我们在日常生活中都能感受到这一点，你的一个小时与我的一个小时不可能有任何不同。这也是世人经常说的“时间对于每个人来讲都是公平的”。

直到某一天，随着人们对光本质的不断研究，让我们对时间和空间有了新的认知。

19世纪，著名物理学家麦克斯韦统一了电磁理论，认为光也是一种电磁波，以波浪式的形式运动。最关键的一点在于，麦克斯韦方程组中推导出光是固定的速度飞行，也就是光速是一个常数。

这种结果与牛顿理论产生了直接冲突。按照牛顿运动定律诠释，绝对静止是不存在的，万物都在运动，而万物运动的速度其实是相对的，也就是说，万物的速度必须有一个参照系才有意义，失去了参照系的运动就没有了意义。

也就是说，光以固定的速度飞行，这个速度是相对什么参照系而言的呢？由于光比较特殊，当时的人们一时半会也找不到光的参照系，于是就提出了“以太”的概念，以太在宇宙中无处不在，光的参照系就是以太，也可以认为，光通过以太这种载体来飞行的。

这种对光参照系的假设其实是很符合常理的，毕竟在人们眼里，声音依靠空气传播，波浪依靠水来传播，而光也是一种波，那么光的传播也是需要介质的，这种介质就是以太。

不过，与空气和水能看得见摸得着相比，以太只是一个假设的概念。假设的不要紧，只要能通过科学手段证明以太的存在就可以了。

科学家们也确实这样做了，通过各种实验试图证明以太的存在。但实验结果都表明了一点：以太并不存在。当时的物理学界都很难接受这样的结果，因为如果以太真的不存在，意味着光速就是绝对的，是一个常数，不需要任何参照系，这与“任何速度都是相对的”的固有理念完全相悖。

往远了说，如果光速真的是绝对不变的，意味着牛顿力学体系的基础，绝对时空观将轰然倒塌，这是当时的物理学界是不能容忍的。

还是具有天才思维的爱因斯坦坚持麦克斯韦方程组推导出了光速不变，最终也让他创建了狭义相对论。不过这个过程是相当漫长的，并不是一两句话就能说明白的，之前的科普文里有详细介绍，这里就不再详述了。

光速不变意味着光的速度是绝对的，不需要参照系，也可以说光速在任何参照系下都保持不变。

其实，往深了讲，光并不是不需要参照系，光的物理背景是四维时空，也就是说，光在四维时空的背景下，恒定以光速飞行。

光速的这个不同寻常的特点，让爱因斯坦创建了狭义相对论，也让我们知道了时间和空间并不是绝对不变的，时间和空间都会受到速度的影响。

这实际上就是时间膨胀效应和尺缩效应。速度越快，时间就越慢，距离就越短。时间变慢和距离变短是同时出现的，两者本质上是同一个效应，因为时间和空间是一体的，两者不可分割，任何把时间和空间分开讨论的行为其实都是没有意义的。

长期以来，人们认为，时间是时间，空间是空间，两者是独立的存在，没有任何关系。空间就相当于我们居住的地方，而时间就是我们在居住的地方从生一直到死，两者怎么可能是一体的呢？

更不可思议的是，时间和空间不仅仅是一体的，两者组成了四维时空，而且速度还会影响四维时空结构，影响时间和空间。那么，速度为何会影响时间和空间，到底是如何影响的呢？

一切都是基于光速不变，都是因为这个霸道的光速。狭义相对论中的时间膨胀公式和尺缩效应公式，在光速不变的基础上，推导出来并不是很难，这两个公式甚至初中数学水平就能推导出来。

说白了，光速的这个霸道行为，意味着时间和空间突然变得很有弹性，两者不再是绝对不变的，时间和空间也是相对的。也就是说，你的一秒与我的一秒并不是一回事，两者并不是同一个概念。

甚至严格来讲，地球上每个人的一秒都是不一样的，只不过相差实在太小了，以至于我们根本察觉不到这种差异，下意识里还会认为时间和空间都是绝对的。

刚才说了，可以数学手段推导出时间膨胀公式和尺缩效应公式。同时我们也可以从逻辑上分析为什么时间和空间是相对的。

光速不变，意味着在不同的参照系下观察到的光速都是一样的，也就是说光速是绝对的。比如说静止的我，与0.9倍光速飞行的你，看到的同一束光的速度都是光速。

既然这样，意味着你和我所处的环境肯定有什么东西发生了变化，只有这样才能保证我们两人看到的光速是一样的。

而这些东西就是时间和空间。因为光速等于距离也就是空间除以时间，由于参照系一直在变，如果想要光速保持绝对不变，那么空间和时间必然要发生相应改变，只有这样才能保证光速的绝对不变。

也就是说，时间和空间时刻在相互协调，目的就是保证光速的绝对性。

往深了讲，其实任何事物都有两个速度，一个是时间维度的速度，另一个是空间维度的速度，而两个维度的速度综合起来始终保持光速不变。说白了，任何事物在四维时空的速度都是光速，你我时刻都在以光速飞行，哪怕你一动不动，也是在光速飞行，只不过你在空间维度的速度为零，而时间维度的速度为光速。

也就是说，任何事物在时间维度和空间维度的速度矢量和始终保持光速不变。

这就是光的特殊性，造就了静止与运动，时间与空间之间的密切关系。除了光速不变之外，光还有一个重要特性：它是没有时间概念的。

如果光有意识，它根本不知道什么是时间，因为对于光来讲，根本不存在时间，也就无所谓时间概念。这就意味着，光可以在任何短暂的时间里飞行任意浩瀚的星际距离，哪怕是宇宙的边缘也能瞬间到达。

光是没有静质量的，没有静质量的任何物体都必须以光速飞行，而且一出生就是光速，没有任何加速过程。而任何拥有静质量的物体，不管质量再小，都不可能达到光速，只能无限接近光速。

当然，除了速度之外，引力也会影响时间和空间，这就涉及广义相对论，广义相对论其实是在狭义相对论的基础上推导出来的，把惯性系扩展到所有的参照系，认为引力其实不是一种力，而只是时空弯曲的表象而已，用时空弯曲彻底取代了引力。

利用等效原理，惯性质量等效于引力质量，在局部把引力排除在外之后，广义相对论可以在任何参照系适用。

事实上，关于静止与运动，时间和空间之间的关系，有一个悖论已经全部囊括了，那就是“双生子佯谬”，相信很多人都听说过。

这个悖论其实是一个思想实验，具体是这样的。一对双胞胎兄弟，哥哥乘坐太空飞船以亚光速的速度离开地球，弟弟待在地球上。

哥哥飞行一段时间之后，比如说几个月时间，返回地球，在哥哥看来，几个月时间并不是很长，不过这只是他自己的感觉。

对于弟弟来讲，他可能已经过去了几年，几十年，甚至一辈子都过去了。哥哥返回地球之后，甚至没有机会再看到弟弟，因为弟弟很可能已经去世很长时间了。

这是为什么呢？明明哥哥只是离开地球几个月而已，弟弟怎么会去世呢？这就涉及狭义相对论中的时间膨胀效应。

速度越快，时间就越慢，只不过只有速度非常接近光速时，时间膨胀效应才会比较明显。所以，当哥哥以亚光速飞行离开地球时，他的时间相对弟弟来讲变慢了。哥哥自己感受到的几个月，在弟弟看来可能会过去几十年甚至更长时间。

这里会就会出现一个问题。我们都知道速度是相对的，哥哥相对弟弟以亚光速飞行，那么，在哥哥眼里，弟弟同样以亚光速飞行。

也就是说，在弟弟眼里，哥哥的时间变慢了。但是在哥哥眼里，弟弟的时间同样也变慢了。那么到底谁对谁错？哥哥和弟弟的时间到底谁变慢了？

哥哥和弟弟都没有错，哥哥和弟弟都认为对方的时间变慢了，两者并不矛盾，因为哥哥和弟弟都是以自己所在的参照系为标准得出来的结果，由于是不同参照系下的结果，这样的对比其实是没有意义的。

每个人都有自己的时间，也就是本征时间，就像装在自己口袋里的钟表显示的时间一样，每个人只需要为本征时间负责，而且每个人的本征时间严格来讲都是不一样的。

就像神话故事里经常所说的“天上一天，地上一年”，讲的就是各自所在的本征时间。实际上，这种现象在宇宙中的确会出现。比如说，如果你在黑洞附近逗留一段时间，哪怕只是逗留几个小时，地球上可能就过去了几年甚至更长时间，这种现象在著名科幻电影《星际穿越》里就有涉及到。

实际上，就算是在我们的地球上，每个人对时间的感受也是不一样的，只不过在地球上的差异实在太小了，我们根本感受不到。

话说过来，双生子佯谬中，哥哥和弟弟都会觉得对方的时间变慢了，那么到底谁的时间变慢了呢？

刚才说了，不同参照系下的时间对比是没有意义的，只有双方重回同一个参照系，再进行时间对比，才有意义。

如何才能让哥哥和弟弟重回同一个参照系下呢？很简单，哥哥返回地球就可以了。当然，理论上也可以让弟弟以更高的速度追哥哥，那又会是另一个结果，但道理都是一样的。

这里就让哥哥返回地球。返回地球之后，两人处于同一参照系，这时候谁更年轻呢？答案是：哥哥！

由于哥哥返回地球的过程不再是惯性系，所以理论上就不能用狭义相对论中的“速度越快，时间就越慢”来分析了。实际上非要用狭义相对论的话，也不是不可以，只不过会相当复杂。哥哥在返回地球的过程大部分时间还是处于惯性系，只是在调头的过程不再是惯性系，因为调头一定会经历减速和加速。

当然，我们可以利用微积分思想，把哥哥掉头的过程细分为无数个瞬间，这些瞬间就可以看出惯性系，然后用狭义相对论进行分析。

而用广义相对论分析就简单多了。由于哥哥在返回过程中势必会经历减速和加速过程，也就是经历了强大的加速度，根据广义相对论的等效原理，惯性力与引力等效，相当于哥哥经历了强大的引力场，等效于哥哥在黑洞附近逗留了一段时间，强大的引力会让哥哥的时间变慢。

总结

静止和运动，时间和空间之间的复杂关系都是以四维时空为背景的，其中最根本的就是光速，光速在四维时空中是一个常数，保持绝对不变。

也就是说，光速，其实是四维时空的固有属性，也可以通俗理解为光的传播介质就是四维时空，所以光速与其他任何物质，任何运动状态都没有关系，只与四维时空的结构有关。

四维时空中存在光速限制，这也是四维时空的内在秉性。其实大自然并没有限制光速，只是四维时空限制了光速。

其实，我们本可以随意超越光速，只是我们所在的四维时空限制了我们超越光速。言外之意，如果我们能脱离四维时空而存在，或许可以尽情地超越光速。

比如说，或许就存在更高维度的时空，在那里可以随意完成对光速的超越，甚至在高维度时空，任何事物都必须以超光速飞行，低于光速是不被允许的。那将是一个怎样的世界？我们无法想象。

高维度时空目前更多的还属于科幻范畴，科学家们很难证明高维度时空是否真的存在。

而人类本身又属于四维时空的一部分，就算高维度时空真的存在，人类也能成功穿越到那里，也肯定意味着我们的身体结构也肯定会发生质的改变，不可能仍旧是四维时空中的那种身体结构组成出现，至于会以什么方式出现在高维度时空，放飞你们的思想，大胆猜测吧！

但我可以肯定地讲：人类绝对想象不出来有关高维度时空的任何特性，我们所有的想象本质上不可能脱离四维时空的烙印！

这是因为：人类永远想象不出生活中没有见过的东西！不要跟我说妖魔鬼怪，任何形式的妖魔鬼怪都可以在现实中找到模型！