四维时空（四维时空和四维空间的区别）

wangsihai 2025-05-25 00:38:03

本文目录一览：

1、什么是四维时空
2、什么是四维时空？
3、“四维时空”是什么概念
4、相对论的四维时空是什么？
5、爱因斯坦的四维时空，具体指什么？
6、什么是四维空间?

什么是四维时空

四维空间是一个时空的概念。简单来说，任何具有四维的空间都可以被称为“四维空间”。不过，日常生活所提及的“四维空间”，大多数都是指爱因斯坦在他的《广义相对论》和《狭义相对论》中提及的“四维时空”概念。根据爱因斯坦的概念，我们的宇宙是由时间和空间构成。时空的关系，是在空间的架构上比普通三维空间的长、宽、高三条轴外又加了一条时间轴，而这条时间的轴是一条虚数值的轴。

根据爱因斯坦相对论所说：我们生活中所面对的三维空间加上时间构成所谓四维空间。由于我们在地球上所感觉到的时间很慢，所以不会明显的感觉到四维空间的存在，但一旦登上宇宙飞船或到达宇宙之中，使本身所在参照系的速度开始变快或开始接近光速时，我们能对比的找到时间的变化。如果你在时速接近光速的飞船里航行，你的生命会比在地球上的人要长很多。这里有一种势场所在，物质的能量会随着速度的改变而改变。所以时间的变化及对比是以物质的速度为参照系的。这就是时间为什么是四维空间的要素之一。

什么是四维时空？

四维空间不同于三维空间，四维空间指的是标准欧几里得空间，可以拓展到n维；四维时空指的是闵可夫斯基空间概念的一种误解。人类作为三维物体可以理解四维时空（三个空间维度和一个时间维度）但无法认识以及存在于四维空间，因为人类属于第三个空间维度生物。通常所说时间是第四维即四维时空下的时间维度。

四维时空（四维时空和四维空间的区别）

“四维时空”是什么概念

四维时空是构成真实世界的最低维度，我们的世界恰好是四维，至于高维真实空间，至少现在我们还无法感知。我在一个帖子上说过一个例子，一把尺子在三维空间里（不含时间）转动，其长度不变，但旋转它时，它的各坐标值均发生了变化，且坐标之间是有联系的。四维时空的意义就是时间是第四维坐标，它与空间坐标是有联系的，也就是说时空是统一的，不可分割的整体，它们是一种”此消彼长”的关系。

四维时空不仅限于此，由质能关系知，质量和能量实际是一回事，质量（或能量）并不是独立的，而是与运动状态相关的，比如速度越大，质量越大。在四维时空里，质量（或能量）实际是四维动量的第四维分量，动量是描述物质运动的量，因此质量与运动状态有关就是理所当然的了。在四维时空里，动量和能量实现了统一，称为能量动量四矢。另外在四维时空里还定义了四维速度，四维加速度，四维力，电磁场方程组的四维形式等。值得一提的是，电磁场方程组的四维形式更加完美，完全统一了电和磁，电场和磁场用一个统一的电磁场张量来描述。四维时空的物理定律比三维定律要完美的多，这说明我们的世界的确是四维的。可以说至少它比牛顿力学要完美的多。至少由它的完美性，我们不能对它妄加怀疑。

相对论的四维时空是什么？

相对论的四维时空简单来说第四维就是时间，也就是说把我们人从出生到死亡这整个过程看成是一个整体这就是四维。一条线是一维，一个没有高度的面是二维，我们人长宽高就是三维。

四维空间是一个时空的概念，任何具有四维的空间都可以被称为“四维空间”。不过，日常生活所提及的“四维空间”，大多数都是指爱因斯坦在他的《广义相对论》和《狭义相对论》中提及的“四维时空”概念。

根据爱因斯坦的概念，我们的宇宙是由时间和空间构成。时空的关系，是在空间的架构上比普通三维空间的长、宽、高三条轴外又加了一条时间轴，而这条时间的轴是一条虚数值的轴。

四维时空是构成真实世界的最低维度，我们的现实世界恰好是四维，至于高维真实空间，至少我们还无法感知,就如人将蚂蚁面前的一块食物拿起来，蚂蚁只当它凭空消失。因为蚂蚁的空间理念是二维空间。而我们理解四维也就像蚂蚁去理解这个食物为什么会消失，也就是去理解三维世界一样。

爱因斯坦的四维时空，具体指什么？

与牛顿（Isaac Newton）的绝对时空不同，爱因斯坦（Albert Einstein）的理论告诉我们：空间和时间是相互关联的，三维的空间和一维的时间共同交织在一个时空中，组成一个四维时空（four-dimensional spacetime）。

同时，空间和时间也并非是绝对的，而是相对的。这正是爱因斯坦的革命性理论被命名为相对论的原理。

一、四维时空的“开胃菜”

空间中两点之间的距离是多少呢？相对论认为，答案取决于你所问的对象。对于以一半光速在飞行的人而言，两点间的距离要比静止（即相对于两点静止）的观测者看到的要短很多。这同样适用于两个事件的时间间隔。你飞得越快，你的时间流逝得就越慢。

爱因斯坦还表示，质量（还有能量）在四维时空中施加了影响。直线在大质量物体（如恒星、黑洞）的影响下会轻微地弯曲。结果就是，沿着直线运动的任何东西，比如一束光线或者一颗行星，在大质量物体的影响下开始沿着弯曲的轨道移动。

相对论认为，引力的确是时空弯曲对其他物体运动的影响。既然在谈论时空，那么时间自然也会受到大质量物体的影响——越靠近黑洞，引力场越强，时钟就会走得越慢（引力红移现象）。

也就是说，爱因斯坦的四维时空，不但空间可以弯曲，时间也可以弯曲（时间膨胀变慢）。由加州理工学院物理学家、诺贝尔奖获得者基普·索恩（Kip S. Thorne）教授兼职制片人的好莱坞大片《星际穿越》（Interstellar）中，宇航员库珀与两位同伴一起在一个叫做米勒的行星世界只待了几个小时，米勒是一颗围绕巨型黑洞运动的行星。由于行星轨道离黑洞很近，时空被扭曲得厉害，时间流逝得十分缓慢。当库珀仨人回到自己的“永恒号”飞船上时，第四位宇航员尼古拉已经变老了23岁。

这一幕太疯狂了，但却是符合科学原理的，在强大引力场中空间和时间都弯曲了。我们现在所用的手机卫星导航系统中，对时间的微调就用到了这个原理。

二、四维时空的结构

下面让我们借助于熟悉的太阳、行星（地球）以及一束光线随时间的运动过程，来说明四维时空具体是怎样的故事。

让四维时空可视化的诀窍非常简单：舍去（忽视）其中的一维。当然，必须保留时间维度。由于空间三个维度的地位是一样的，舍去其中任意一个维度都没有关系。然后就剩下了二维空间和一维时间。这样简化的结果是，四维时空变成了我们熟悉的三维空间了。

在二维空间里，物体只能在一个平面上前后左右移动。想象两种在这个水平面上沿直线运动的物体：一种是一束星光，以每秒30万公里的速度运动；另一种是一颗行星（地球），与光束沿相同方向运动，但速度假定是光速的万分之一，仅为每秒30公里。如果不受外界影响，二者都会沿着相同的直线路径运动，只是速度相差很大。

现在，我们再把太阳也放在这个平面上，距地球运动直线路径1.5亿公里远。我们知道，太阳的质量造成了时空弯曲。因此，光束和地球的运动路径都会弯曲。奇怪的是：光束的路径只被弯曲了很小的角度。但是，地球的路径却弯曲得很厉害，直到在平面上成为一个圆形轨迹。

这是为什么呢？如果两者都受到同样的曲率影响，难道它们不应该沿着同样的轨道弯曲吗？如果你这样想就错了！

要知道，我们这里谈到的弯曲路径不是在空间里，而是在时空中。真实的情况应当把时间维度和二维空间加在一起，即考虑三维时空中的运动。上图中，时间取代了第三个空间维度（上、下）的位置。事实上，我们已经创造了一个新的三维坐标系。x轴和y轴的水平面上，在每30万公里（光每秒走的路程）处有一个刻度。纵坐标z轴也有相同的刻度线。

三、四维时空中光路和时间流逝的弯曲效应

先来看光束。在零点时，光束位于空间中的一点。一秒后，它移动了30万公里，水平面上的一个刻度。但在三维时空中，它还向上移动了一个刻度。因此在这一秒钟后的时空中，光束是沿着一条倾角为45度的路径运动的。

再看地球。一秒钟后，它运动了30公里。因此地球在三维时空中的运动路径（即世界线，爱因斯坦把粒子在四维时空中的运动轨迹称作世界线。这里已简化成三维时空。）比光束的倾斜角度要小得多，仅为20角秒左右。对于普通观测者来说，光束很明显沿对角线移动，而地球则沿直线上升，几乎是垂直的。

现在让太阳加入其中。在这个简化模型中，太阳在空间是不动的，速度为零。所以，它在三维时空的移动路径正好是垂直的。但是，太阳的质量在时空中制造了一个很小的弯曲，因此，光束的世界线和地球的世界线都被轻微地弯曲了一点。

由于光速极快，光束几乎立刻离开了这个被太阳质量弯曲的时空。光束的对角世界线只被轻微弯曲了，持续时间极短，光束马上又沿直线路径离去，保持45度倾角，方向与之前略微不同。投影到二维空间的水平面上，光束的轨迹有轻微的改变。

然而，地球仍停留在弯曲的时空区域内。它在时空中沿着几乎垂直的路径运动，保持20角秒的倾角。由于太阳质量场的曲率，这个小倾角方向一直缓慢变化。一年后，地球走完了绕日轨道的一周，对应的空间中才走了9.46亿公里的距离，花了3150万秒的时间。地球在时空中的螺旋形世界线几乎很难用肉眼与直线区分开来，它依然是一条几乎完美的直线。这是因为太阳质量不是特别大，引起的时空弯曲也就很小。

如果我们忽略时间维度，把地球一年运动的世界线投影到二维空间，地球的轨迹可以说被弯曲得很厉害，直到变为我们所知的圆形轨道。与此同时，那一束高速运动的光线，已经飞了9.46万亿公里（1光年）的距离，早已不知去向。

四、结束语

显然，爱因斯坦的四维时空是一个全新的概念。他对空间和时间的洞见彻底改变了物理学家对引力和宇宙的理解。这些四维时空的特性又都是我们日常的直觉难以理解的。

当我们接触到有关黑洞、超强时空弯曲以及引力波等物理概念时，我们不能只相信自己的直觉。如果我们相信爱因斯坦的理论，就应该接受他的四维时空的概念。三维空间与一维时间本质上是一个不可分割的整体，即四维时空。四维时空中的空间、时间都是动态而非静态的，时空或宇宙不可能是稳态的。物质分布的改变，时空的弯曲程度也会随之改变；时空曲率的改变，物质运动也会随之改变。