#挑战30天在头条写日记#
爱因斯坦的相对论*翻推**了绝对时空的概念，用时空结构取而代之。但时空真的存在吗？
严重弯曲时空的插图，位于黑洞事件视界之外。
随着你越来越接近质量所在的位置，空间变得更加弯曲，最终导致一个连光都无法逃脱的位置：事件视界。
在很远的距离，空间曲率对于等质量的黑洞、中子星、白矮星或任何其他质量相当的物体是无法区分的。
为了使某些东西在物理上真实，它需要是物理的并且可以直接测量，而不仅仅是做出正确预测的计算工具。 从这个意义上说，原子和可观察的粒子肯定是真实的，但不可观察的“虚”粒子绝对不是。 时空呢？它是像原子一样真实，还是只是一种计算工具？这是一个值得探索的迷人话题。
当我们大多数人想到宇宙时，我们想到的是跨越宇宙遥远距离的物质对象。 物质在自身引力的作用下坍缩形成星系等宇宙结构，而气体云则收缩形成恒星和行星。 然后，恒星通过核聚变燃烧燃料来发光，然后光在整个宇宙中传播，照亮它接触到的任何事物。 但宇宙中的物体远不止于其中。 还有时空结构，它有自己的一套规则：广义相对论。 时空的结构因物质和能量的存在而弯曲，弯曲的时空本身告诉物质和能量如何在其中运动。
但究竟什么是时空的物理性质？
它是真实的、物理的东西，就像原子一样，还是仅仅是我们用来为宇宙中物质的运动和行为给出正确答案的计算工具？
这是一个很好的问题，也是一个让你难以理解的问题。 此外，在爱因斯坦出现之前，我们对宇宙的看法与我们今天的看法大不相同。 让我们回到我们甚至还没有时空概念之前的宇宙，然后来到我们今天所处的位置。
从宏观尺度到亚原子尺度的旅程跨越了多个数量级，但小步往下走可以使每一个新的尺度都更容易从前一个尺度中获取。 人类是由器官、细胞、细胞器、分子、原子构成的，然后是电子和原子核，然后是质子和中子，然后是其中的夸克和胶子。 这是我们对自然探索的极限。
在基本层面上，我们长期以来一直认为，如果你把宇宙中的一切都分解成越来越小的成分，你最终会得到不可分割的东西。 毫不夸张地说，这就是“原子”这个词的意思：来自希腊语 ἄτομος：无法被切割。 我们对这个想法的第一个记录可以追溯到大约 2400 年前的德谟克利特，但它可能会追溯到更远的地方。 这些“不可分割”的实体确实存在； 每一个都被称为量子粒子。 尽管我们为元素周期表中的元素取了“原子”这个名字，但它实际上是真正不可分割的亚原子粒子，如夸克、胶子和电子（以及根本不存在于原子中的粒子）。
这些量子结合在一起，构成了我们所知道的宇宙中所有复杂的结构，从质子到原子到分子再到人类。 然而，无论我们处理什么类型的量子 ——物质或反物质，有质量或无质量，基本结构或复合结构，在亚原子或宇宙尺度上 ——这些量子只存在于我们所处的同一个宇宙中。
在牛顿（或爱因斯坦）力学中，一个系统将根据完全确定的方程随时间演化，这意味着如果你能知道系统中所有事物的初始条件（如位置和动量），你就应该能够演化它 , 没有错误, 及时任意向前。 除了空间坐标之外，如果不包括时间坐标，就无法准确地描述物体的位置。 在我们的实际宇宙中，由于无法知道真正任意精度的初始条件，包括当我们考虑到量子不确定性的存在时，这对于任意精度来说是不正确的。
这很重要，因为如果你想让你的宇宙中的“东西”彼此做事 相互作用、结合在一起、形成结构、转移能量等 必须有一种方法来处理宇宙中存在的不同事物 宇宙影响彼此。 这类似于戏剧，所有角色都已充实，所有演员都已准备好扮演他们，所有服装都已准备就绪，所有台词都已写好并记住了。 唯一缺少的东西，但对于戏剧的发生非常必要，是一个舞台。
那么，在物理学中，那个阶段是什么？
在爱因斯坦出现之前，舞台是由牛顿搭建的。 宇宙中的所有“参与者”都可以用一组坐标来描述：三维空间中的一个位置（一个位置）以及一个时间点（一个瞬间）。 你可以把它想象成一个笛卡尔网格：一个具有 x、y 和 z 轴的三维结构，其中每个量子也可以有一个动量，将它在空间中的运动描述为时间的函数。 时间本身被假定为线性的，总是以相同的速率流逝。 在牛顿的图景中，空间和时间都是绝对的。
我们经常将空间想象成 3D 网格，尽管当我们考虑时空概念时，这是依赖于框架的过度简化。 实际上，时空因物质和能量的存在而弯曲，距离不是固定的，而是可以随着宇宙的膨胀或收缩而演变。 在爱因斯坦之前，空间和时间被认为对每个人来说都是固定的和绝对的。 今天我们知道这不可能。
然而，19 世纪末放射性物质的发现开始使牛顿的理论受到质疑。 原子可以发射接近光速运动的亚原子粒子这一事实告诉我们一些令人兴奋的事情：当一个粒子以接近光速运动时，它经历的空间和时间与缓慢运动或静止的粒子截然不同。
不稳定的粒子在静止时会很快衰变，它们移动的速度越接近光速，它们的寿命就越长。 这些相同的粒子行进的距离比它们在衰变前的速度和寿命所显示的距离要远。 如果你试图计算运动中粒子的能量或动量，不同的观察者（即观察粒子并相对于它以不同速度移动的人）会计算出彼此不一致的值。
牛顿的空间和时间概念一定有什么缺陷。 在接近光速的速度下，时间会膨胀，长度会缩短，而能量和动量确实是依赖于坐标系的。 简而言之，你体验宇宙的方式取决于你在其中的运动。
由光子在两个镜子之间反弹形成的光时钟将为任何观察者定义时间。 尽管这两个观察者在时间流逝的问题上可能意见不一，但他们会同意物理定律和宇宙常数，例如光速。 静止的观察者会看到时间正常流逝，但在空间中快速移动的观察者的时钟相对于静止的观察者会慢一些。
爱因斯坦对相对论概念的重大突破负有责任，该概念确定了哪些量是不变的并且不随观察者的运动而变化，哪些量是依赖于坐标系的。 例如，光速对所有观察者来说都是相同的，任何物质的静止质量也是如此。 但是你在两点之间感知到的空间距离在很大程度上取决于你沿着连接这些点的方向的运动。 同样，当你从一个点到另一个点时，你的时钟运行的速度也取决于你的运动。
正如牛顿的直觉，空间和时间并不是绝对的，但不同的观察者有不同的体验：它们是相对的，这就是“相对论”这个名字的由来。 此外，任何特定观察者如何体验空间与他们如何体验时间之间存在特定关系：在爱因斯坦由他的前任教授赫尔曼闵可夫斯基提出他的狭义相对论几年后，这些东西被放在一起，他提出了一个 包含空间和时间的统一数学结构：时空。 正如闵可夫斯基自己所说，
“从此以后，空间本身和时间本身都注定要消失，成为纯粹的阴影，只有两者的某种结合才能保持独立的现实。”
今天，当我们忽略引力时，这个时空仍然是我们常用的舞台：闵可夫斯基空间。
光锥的示例，所有可能到达和离开时空点的光线的三维表面。 你在空间中移动的越多，你在时间中移动的越少，反之亦然。 只有包含在你过去的光锥中的东西才能影响今天的你； 只有包含在你未来光锥中的东西才能在未来被你感知。 这说明了平坦的 Minkowski 空间，而不是广义相对论的弯曲空间。
但在我们真实的宇宙中，我们确实有引力。 重力不是一种立即作用于遥远空间的力，而是仅以与所有无质量量子移动相同的速度传播：光速。 （是的，引力的速度等于光速。）狭义相对论中制定的所有规则仍然适用于宇宙，但要将引力引入褶皱，还需要一些额外的东西：时空本身具有内在的概念 它的曲率取决于其中存在的物质和能量。
从某种意义上说，这很简单：当你把一组演员放在一个舞台上时，那个舞台需要承受演员本身的重量。 如果演员足够大并且舞台不是完全刚性的，舞台本身会因为演员的存在而变形。
同样的现象也发生在时空上：物质和能量的存在使它弯曲，曲率影响距离（空间）和时钟运行的速度（时间）。 而且，它以一种错综复杂的方式影响着两者，如果你计算物质和能量对时空的影响，“空间”效应和“时间”效应是相关的。 而不是我们在狭义相对论中设想的三维网格线，这些网格线现在在广义相对论中是弯曲的。
放下一个质量块，而不是一个空的、空白的、三维的网格，会导致本来是“直线”的线变成弯曲特定量的线。 即使你改变内部质量占据的体积，超过一定距离的空间曲率，在大质量之外，也保持不变。 在视觉上，请注意这些线似乎是拖向而不是远离所讨论的质量。
如果你愿意，可以将时空概念化为一种纯粹的计算工具，并且永远不会比这更深入。 在数学上，每个时空都可以用度量张量来描述：一种允许您计算任何场、线、弧、距离等如何以明确定义的方式存在的形式。 空间可以是平坦的，也可以是任意弯曲的； 空间可以是有限的也可以是无限的； 该空间可以是开放的或封闭的； 该空间可以包含任意数量的维度。 在广义相对论中，度量张量是四维的（三个空间维度和一个时间维度），决定时空曲率的是其中存在的物质、能量和应力。
简单来说，宇宙的内容决定了时空的弯曲方式。 然后，您可以获取时空曲率，并用它来预测每个物质和能量量子将如何在您的宇宙中移动和演化。 广义相对论的规则使我们能够预测物质、光、反物质、中微子，甚至引力波将如何在宇宙中移动，而这些预测与我们观察和测量的结果完全吻合。
来自引力波事件 GW190521 的信号，正如当时所有三个活跃的引力波探测器所看到的：LIGO Hanford、LIGO Livingston 和 Virgo。 整个信号持续时间仅持续约 13 毫秒，但代表的能量相当于 8 个太阳质量通过爱因斯坦的 E = mc² 转换为纯能量。
然而，我们没有测量的是时空本身。 我们可以测量距离，也可以测量时间间隔，但这些只是对潜在时空的间接探测。 我们可以测量任何与我们相互作用的事物 ——我们的身体、我们的仪器、我们的探测器等等 —— 但是只有当两个量子在时空中占据同一点时才会发生相互作用：当它们在一个“事件”中相遇时。
我们可以测量弯曲时空对宇宙中的物质和能量产生的每一种影响，包括：
- 宇宙膨胀引起的辐射红移，
- 由于前景质量的存在而导致的光弯曲，
- 坐标系拖曳对旋转体的影响，
- 超出牛顿预测的引力效应导致的额外轨道进动，
- 光如何在深入引力场时获得能量并在爬出引力场时失去能量，
还有很多很多其他的。 但我们只能测量时空对宇宙中物质和能量的影响，而不是时空本身，这一事实告诉我们，时空的行为与纯粹的计算工具没有区别。
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量子引力试图将爱因斯坦的广义相对论与量子力学结合起来。 对经典引力的量子校正被可视化为循环图，如图中白色所示。 如果扩展标准模型以包括引力，则描述 CPT 的对称性（洛伦兹对称性）可能会变成近似对称性，允许违规。 然而，到目前为止，尚未观察到此类实验违规行为。
但这并不意味着时空本身在物理上不是真实的实体。 如果你让演员表演一出戏，你理所当然地称戏发生的地点为“他们的舞台”，即使它只是一块场地、一个平台、光秃秃的地面等。即使在空间失重，你会简单地注意到他们使用自由落体参考系作为舞台。
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生动地观察时空在质量移动时如何响应，有助于准确地展示它如何在质量上不仅仅是一张织物。 相反，所有 3D 空间本身都因宇宙中物质和能量的存在和特性而弯曲。 在轨道上相互环绕的多个质量会导致引力波的发射。
或许最有趣的是，当谈到时空的本质时，还有很多问题没有得到解答。
空间和时间本质上是量子的和离散的，它们本身被分割成不可分割的“块”，还是连续的？
引力是否像其他已知的力一样本质上是量子的，或者它在某种程度上是非量子的：一种经典的连续结构，一直到普朗克尺度？ 如果时空与广义相对论所规定的不一样，它有什么不同，我们将以何种方式检测到它？
但是，尽管时空使我们能够预测和了解所有事物，但它并不像原子那样真实。 您无法直接“检测”时空。 你只能探测到存在于你时空内的单个物质和能量量子。 我们发现了爱因斯坦广义相对论对时空的描述，它可以成功地预测和解释我们曾经观察或测量过的每一种物理现象，但就它究竟是什么 —— 以及它是否“真实” —— 科学还没有找到答案。
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