第7章 空间和时间(2)
1915年之前，空间和时候被以为是事件在此中产生的牢固舞台，而它们不受在此中产生的事件的影响。即便在狭义相对论中，这也是对的。物体活动，力吸引并架空，但时候和空间则完整不受影响地延长着。空间和时候很天然地被以为无穷地向前延长。
爱因斯坦提出了反动性的思惟，即引力不像其他种类的力，它只不过是时空不是平坦的这一究竟的成果，而早先人们假定时空是平坦的。在时空中的质量和能量的漫衍使它曲折或“翘曲”。像地球如许的物体并非因为称为引力的力使之沿着曲折轨道活动，相反，它沿着曲折空间中最靠近于直线途径的东西活动，这个东西称为测地线。一根测地线是邻近两点之间最短（或最长）的途径。比方，地球的大要是个曲折的二维空间。地球上的测地线称为大圆，是两点之间比来的路。因为测地线是两个机场之间的最短程，这恰是领航员叫飞翔员飞翔的航路。
对于时空中的每一事件我们都能够做一个光锥（统统从该事件收回的光的能够途径的调集），因为在每一事件处在任一方向上的光的速率都是一样的，以是统统光锥都是全等的，并朝着同一方向。这实际又奉告我们，没有任何东西行进得比光更快。这意味着，通过空间和时候的任何物体的轨迹必须由一根线来表示，而这根线落在它上面的每一事件的光锥以内。狭义相对论非常胜利地解释了以下究竟：对统统察看者而言，光速都是一样的（正如迈克耳孙――莫雷尝试所揭示的那样），并胜利地描述了当物体以靠近于光速活动时会产生甚么。但是，它和牛顿引力实际不相调和。牛顿实际说，物体之间相互吸引，其吸引力依靠于它们之间的间隔。这意味着，如果我们挪动此中一个物体，另一物体所受的力就会当即窜改。或换言之，引力效应必须以无穷速率行进，而不像狭义相对论要求的那样，只能以即是或低于光速的速率行进。爱因斯坦在1908年至1914年之间停止了多次不胜利的尝试，诡计找到一个和狭义相对论调和的引力实际。1915年，他终究提出了明天我们称为广义相对论的实际。
将一个事件的四坐标当作指定其在所谓的时空的四维空间中位置的手腕常常是有助的。四维空间是不成设想的。对我小我来讲，摹想三维空间已经充足困难！不管别的两个空间坐标，或者偶然用透视法将此中一个表示出来。
我们凡是的经历是能够用3个数或坐标去描述空间中的一点的位置。比方，人们能够说屋子里的一点分开一堵墙7英尺（1英尺=0.3048米），分开另一堵墙3英尺，并且比空中高5英尺。或者人们也能够用必然的纬度、经度和海拔来指定该点。人们能够自在地选用任何3个合适的坐标，固然它们只在有限的范围内有效。人们不是遵循在伦敦皮卡迪里广场以北和以西多少英里以及高于海平面多少英尺来指明玉轮的位置，取而代之，人们可用分开太阳、分开行星轨道面的间隔以及玉轮与太阳的连线和太阳与邻近的一个恒星――比方半人马座α――连线之夹角来描述它的位置。乃至这些坐标对于描述太阳在我们星系中的位置，或我们星系在本星系群中的位置也没有太多用处。究竟上，人们可遵循一组相互交叠的坐标碎片来描述全部宇宙。在每一碎片中，人们可用分歧的三个坐标的调集来指明点的位置。
在广义相对论中，物体老是沿着四维时空的直线走。固然如此，在我们看来它在三维空间中是沿着曲折的途径。
能量越大，则频次越高。当光从地球的引力场往上行进，它落空能量，因此其频次降落（这表白两个相邻波峰之间的时候间隔变大）。在上面的某小我看来，上面产生的每一件事情都显得需求更长的时候。1962年，人们操纵一对安装在水塔顶上和底下的非常精确的钟，考证了这个预言。发明底下的那只更靠近地球的钟走得较慢，这和广义相对论恰好符合。目前，跟着基于卫星信号的非常切确的导航体系的呈现，地球上的分歧高度的钟的速率的差别，在合用上具有相称的首要性。如果人们疏忽广义相对论的预言，计算的位置会错几英里。
在今后的几十年中，对空间和时候的这类新了解是对我们宇宙观的窜改。旧的宇宙观被新的宇宙观代替了。前者以为宇宙根基上是稳定的，它能够已经存在了无穷长的时候，并将永久持续存鄙人去；后者则以为宇宙在活动、在收缩，它仿佛开端于畴昔的某一个时候，并或许会在将来的某一个时候闭幕。这个窜改恰是下一章的内容。几年以后，它又是我研讨实际物理的起点。罗杰・彭罗斯和我证了然，爱因斯坦广义相对论意味着，宇宙必须有个开端，并且能够有个闭幕。
光芒也必须在时空中遵守测地线。时空是曲折的究竟再次意味着，光芒在空间中看起来不是沿着直线行进。如许，广义相对论预言光芒必须被引力场折弯。比方，实际预言，因为太阳的质量的原因，太阳近处的点的光锥会向内略微弯折。这表白，从悠远恒星收回的刚好通过太阳四周的光芒会被偏折很小的角度，对于地球上的察看者而言，这恒星仿佛位于分歧的位置。当然，如果从恒星来的光芒老是在靠太阳很近的处所穿过，则我们就无从辩白，是光芒被偏折了，还是该恒星实际上就在我们看到的处所。但是，因为地球环绕着太阳公转，分歧的恒星显得从太阳前面通过，并且它们的光芒遭到偏折。以是，相对于其他恒星而言，它们窜改了表观的位置。
一个事件是在特定时候和在空间中特定的一点产生的某件事。如许，人们能够用4个数或坐标来指定它。再说一遍，坐标系的挑选是肆意的；人们能够利用任何3个定义好的空间坐标和任何时候测度。在相对论中，在时候和空间坐标之间没有真正的不同，如同在任何两个空间坐标之间没有真正的不同一样。人们能够挑选一组新的坐标，比如说，第一个空间坐标是1日的第一和第二空间坐标的组合。比方，测量地球上一点的位置不消在伦敦皮卡迪里广场以北和以西的里数，而是用在它的东北和西北的里数。
没有需求引入以太的看法，正如迈克耳孙-莫雷尝试显现的那样，以太的存在是不管如何检测不到的。但是，相对论迫使我们从底子上窜改了我们的时候和空间看法。我们必须接管，时候不能完整脱分开和独立于空间，而必须和空间连络在一起构成所谓的时空的客体。
如果人们忽视引力效应，正如爱因斯坦和庞加莱在1905年那样做的，人们就获得了称为狭义相对论的实际。
近似地，P的畴昔可被定义为下述的统统事件的调集，从这些事件能够以即是或小于光速的速率行进达到事件P。如许，它就是能够影响产生在P的事件的统统事件的调集。不处于P的将来或畴昔的事件被称之为处于P的他处。在这类事件处所产生的东西既不能影响产生在P的事件，也不受产生在P的事件的影响。比方，假定太阳就在现在停止发光，它不会对现在的地球上的事情产生影响，因为它们是在太阳燃烧这一事件的他处。我们只能在8分钟以后才晓得这一事件，这是光从太阳达到我们所破钞的时候。只要到当时候，地球上的事件才在太阳燃烧这一事件的将来光锥以内。近似地，我们也不晓得这一时候产生在宇宙中更远处的事：我们看到的从很远星系来的光是在几百万年之前收回的，至于我们看到的最远物体，光是在约莫80亿年前收回的。如许，当我们看宇宙时，我们是在看它的畴昔。
现在我们恰是用这类体例来精确地测量间隔，因为我们能够把时候比长度测量得更加精确。实际上，米是被定义为光在以铯原子钟测量的0.000000003335640952秒熟行进的间隔（取这个特别数字的启事是，因为它对应于汗青上的米的定义――遵循保存在巴黎的特定铂棒上的两个刻度之间的间隔）。一样地，我们能够用叫做光秒的更便利的新长度单位，这就是简朴地定义为光在1秒中行进的间隔。现在，我们在相对论中遵循时候和光速来定义间隔，从而自但是然地，每个察看者都测量出光具有一样的速率（遵循定义为每0.000000003335640952秒之一米）。
近似地，人们在相对论中能够用新的时候坐标，它是旧的时候（以秒作单位）加上往北分开皮卡迪里的间隔（以光秒为单位）。
广义相对论的另一个预言是，在像地球如许的大质量的物体四周，时候显得流逝得更慢一些。这是因为光能量和它的频次（光在每秒钟里颠簸的次数）有一种干系：
在普通环境下，要察看到这个效应非常困难，这是因为太阳的光芒使得人们不成能旁观天空上呈现在太阳四周的恒星。但是，在日蚀时便能够察看到，这时太阳的光芒被玉轮遮住了。因为第一次天下大战正在停止，爱因斯坦光偏折的预言不成能在1915年当即获得考证。直到1919年，一个英国的探险队从西非观察日蚀，证明光芒确切像实际所预言的那样被太阳偏折。此次英国人证明德国人的实际被喝彩为战后两国和好的巨大行动。具有讽刺意味的是，厥后人们查抄这回探险所拍的照片，发明其偏差和诡计测量的效应一样大。他们的测量纯属运气，或是已知他们所要得的成果的景象，这在科学上时有产生。但是，厥后的多次观察精确地证明了光偏折。
但是在广义相对论中，环境则完整分歧。这时，空间和时候变成为动力量：当物体活动，或者力感化时，它影响了空间和时候的曲率；反过来，时空的布局影响了物体活动和力感化的体例。空间和时候不但去影响、并且被产生在宇宙中的每一件事影响。正如人们没有空间和时候的观点不能议论宇宙的事件一样，一样地，在广义相对论中，在宇宙边界以外讲空间和时候也是没成心义的。
正如我们已经看到的，麦克斯韦方程预言，不管光源的速率如何，光速应当是一样的，这已被紧密的测量证明。由此推出，如果有一个光脉冲从一特定的空间点在一特定时候收回，在时候的过程中，它就会作为一个光球面发散开来，而光球面的形状和大小与源的速率无关。在一百万分之一秒后，光就散开成一个半径为300米的球面；一百万分之二秒后，半径变成600米，等等。这正如同将一块石头扔到水池里，水大要的波纹向四周散开一样，波纹作为一个圆周散开并随时候越变越大。如果人们把不应时候波纹的快照一一堆叠起来，扩大的水波圆周就会画出一个圆锥，其顶点恰是石块击到水面的处所和时候。近似地，从一个事件散开的光在（四维的）时空里构成了一个（三维的）圆锥，这个圆锥称为事件的将来光锥。以一样的体例能够画出另一个称为畴昔光锥的圆锥，它表示统统能够用一个光脉冲传播到该事件的事件调集。
牛顿活动定律使在空间中的绝对位置的看法寿终正寝。而相对论摆脱了绝对时候。考虑一对双生子。假定此中一个孩子去山顶上糊口，而另一个留在海平面，第一个将比第二个老得快些。如许，如果他们再次相会，一个会比另一个更老一些。在这个例子中，年纪的不同会非常小。但是，如果有一个孩子在以近于光速活动的航天飞船中作长途观光，这类不同就会大很多。当他返来时，他会比留在地球上另一个年青很多。这叫做双生子佯谬，但是，只是对于脑筋中仍有绝对时候看法的人而言，这才是佯谬。在相对论中并没有唯一的绝对时候，相反，每小我都有他本身的时候测度，这依靠于他在那边并如何活动。
（这正如同看一架在非常多山的空中上空飞翔的飞机。固然它沿着三维空间的直线飞，它在二维的空中上的影子倒是沿着一条曲折的途径。）太阳的质量以如许的体例曲折时空，使得在四维的时空中地球固然沿着直线的途径，它却让我们看起来是沿着三维空间中的一个圆周轨道活动。究竟上，广义相对论和牛顿引力实际预言的行星轨道几近完整分歧。但是，对于水星，这颗离太阳比来，遭到引力效应最强，轨道被拉得相称长的行星，广义相对论预言其轨道椭圆的长轴应环绕着太阳以约莫每1万年1度的速率进动。固然这个效应如此藐小，但在1915年前即被重视到了，并被作为爱因斯坦实际的第一个考证。近年来，其他行星和牛顿实际预言的乃至更小的轨道偏差已被雷达测量到，并且发明和广义相对论的预言符合。
对于给定的事件P，人们能够将宇宙中的其他事件分红三类。处置务P解缆由一个粒子或者波以即是或小于光速的速率行进能达到的那些事件称为属于P的将来。它们处于处置务P发射的收缩的光球面以内或之上。如许，因为没有任何东西比光行进得更快，以是在P所产生的东西只能影响在P的将来中的事件。