时间和空间是一种幻觉吗？

心中u你

Spacetime refers to whichever external reality underlies our collective experiences of the space between things and the time between events.

摘自
Spacetime | what is?以及
Are Time And Space An Illusion? | Tech and Facts
泛泛的讲，时空指的是在我们对于物体之间的空间以及事件之间的时间的集体经验的基础上所构建起来的任何的外在现实。
当然，我们对于时空的认识还存在不少基本问题尚待解决，还需要进一步完善和发展。
先来看《宇宙的构造》中的几个例子：
首先，我们通常不能意识到空间的存在，这可能就像鱼意识不到它们赖以生存的水一样。
剧院是中世纪绅士们的高级享受，在这里你可以观看演员们的演出，美丽的场景，感人的故事，但这里有比剧情更重要的东西，你绝不会在海报上面看到，它是我们容易忽略的，难以觉察到的事物——舞台。
舞台对于演出至关重要，之前的很多人常常对此忽略不计，直到17世纪的艾萨克·牛顿。牛顿注意到了这些，他是这样描述空间的，空间是一个框架，宇宙中的一切都在这里发生，万物在这里更迭。当然，牛顿的舞台是消极的，绝对而永恒，始终如一。在这里，演出并不能影响舞台，同样，舞台也无法影响演出。通过这样描述空间，牛顿得以描述整个世界，这是前无古人的壮举，他的永恒舞台理论使他理解我们所能见到的所有形式的运动，这些灵活的法则可以预示一切，小到苹果的落地，达到地球绕太阳转的运行轨道，至今，我们仍然沿用这些屡试不爽的法则，为我们的日常提供指导，不管是发射卫星，或是为飞机导航，这些法则都建立在一个绝对的理念之上：空间是真实存在的，即使你无法看到它，闻不到它，也无法触碰它，但空间就是真实的，客观存在的事物，它为事物的运动提供了一个基准。


图片来自《宇宙的构造》
牛顿所描述的是一种绝对的时空观，在这里，绝对的时间均匀地流逝，绝对空间符合三维的欧几里得几何。绝对时空的本质与任何具体物体以及运动状态无关，选择相对于绝对空间的静止或匀速直线运动为参照所得出坐标，就是惯性参考系。
因为绝对时间的同时性不变，所以相对于同一个惯性参照系的两个事件同时发生与否也是不变的，而两个同时发生的事件在其他惯性参照系下也是同时的，这就是绝对同时性。
到了19世纪，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦总结前人的电磁理论，发展出了麦克斯韦方程组，预测了电磁波，而后也经过了证实。虽然不断有人对牛顿的绝对空间概念提出异议，但是牛顿力学和万有引力等规律是这样的成功，以至于他的绝对时空理念，也一直主导着当时的自然科学界。受到牛顿的绝对时空概念所支配的物理学家们，自然也认为存在光以太这种物质。所以，麦克斯韦方程组仅仅只是在绝对空间的惯性参考系中成立，与此类似，电磁波也只是光以太的波动现象而已。
根据牛顿的理论，可以近似描述的宇宙图像是这样的：在无穷长和无限大的绝对时空中，无数多的星体大致上是静止的，而且平均光度也是均匀的。那么问题就来了，假如宇宙是稳恒态而无限，而且有无数平均分布的发光的星体，则无论望向天上哪一位置都应该见到一粒星体的表面，星与星之间便不应有黑暗的位置，黑夜时整个天都会是光亮的！
上述就是德国天文学家奥伯斯于1823年提出的著名的奥伯斯佯谬（Olbers' paradox - Wikipedia），这是一个牛顿舞台理论无法解释的现象。关于这个问题，详见
为什么星星那么多却照不亮地球？ - 土豆泥的回答 - 知乎在备受瞩目了200多年之后，在20世纪的上半叶，一种新的理念崭露头角从根本上击碎了牛顿的舞台理论。这个理论的提出者是一个工作在瑞士邮政局的小职员——阿尔伯特·爱因斯坦。
光速令爱因斯坦感到痴迷，无论相对于何种事物，光速就是不变。那么爱因斯坦是如何理解这个现象的呢？速度，是物体在空间中随着时间移动的度量单位，爱因斯坦提出了一个绝妙而大胆的解释，即空间和时间可以协同工作，以保证光速的绝对恒定，所以无论你跑的有多快，当你测量光速的时候，空间和时间相互协调，使光速总是保持在
3\times 10^{8} m/s。为了保证光速的绝对性质，时间久不是绝对不变的，空间也不是绝对不变的，并且二者就会以一种特殊的方式互相影响，互相配合。如果时间和空间的可变性让你不是很理解，这只是因为我们的运动速度太慢了，不足以看到这种变化。如果你坐在一辆以接近光速前进的计程车里，你就会看到以下的场景了：


图片来自《宇宙的构造》
因此根据爱因斯坦，时间和空间不再是严格的和绝对的，相反地，它们在运动相互的融合，形成了一个我们熟知的词汇：时空。
爱因斯坦在1905年提出狭义相对论，拓展了伽利略相对性原理，使得包括力学和电磁学在内的所有物理定律在不同惯性参照系也要具有相同的形式。据此，不同惯性系的时间-空间坐标之间不再遵从伽利略变换，而是遵从洛伦兹变换。


截图来自《Getting the Lorentz transformations without requiring an invariant speed》
而且相对于“静止的”而言，越是高速运动，时钟就越是变慢（钟慢效应），尺子就越是变短（尺缩效应）。至此，绝对的同时性不存在，也就是说，在一个参照系中同时发生的两个事件，在另一个高速运动的参照系就不再是同时发生了。
这种空间时间一体化的理论，同样震动了当时的科学界，这也是少有的科学史上出现如此反直觉的理论。然而，这种对空间的全新阐释，也解决了当时的一个深奥难题，一个涉及了宇宙中最基本的力的难题：引力。牛顿已经明白，引力是物体相互吸引，并且牛顿力学的相关理论已经极其准确的求出了这种力的强度，但是引力是如何作用物体的呢？为什么相隔数十万英里，月亮依然绕着地球转？牛顿力学无法解释这个问题。
在被这个问题困扰了几十年后，爱因斯坦得出了一个惊世骇俗的结论，重力的奥秘隐藏在空间的本质中。空间比他原来预想的还要更加具有可塑性，空间可以像真实物体一样伸缩，这是继牛顿之后有一个惊世骇俗的突破。
爱因斯坦认为，引力的真正原理是：它是因为物体扭曲时空而造成的。换而言之，引力是时空的另一种表现形式。依据爱因斯坦的观点，空间不再那么实在了，而是可变的，我们认识到空间是可以弯曲的，它就好像一张橡胶毯一样，这为我们提供了一个如何描述宇宙的新思路。


图片来自《宇宙的构造》
牛顿用一种十分被动的视觉来看空间，而爱因斯坦却用动态的眼光来看待它。空间和时间相互交织，共同作用，支配着物体的运动。所以在爱因斯坦之后，时空就不再被人们认为是静止不变的，它成为了一个演员，在宇宙这场达舞台剧中，它引领舞台。
爱因斯坦于1915年到1916年期间在柏林完成了他这份最伟大的研究工作——广义相对论。根据广义相对论原理，他找到了两个做非匀速运动的观测者所作的时空测量的规律。考虑这些规律时，爱因斯坦需要引用黎曼几何，即弯曲空间几何的定理。在这方面，他受到了一位老同学，数学家马塞尔·格罗斯曼的帮助，那么为什么爱因斯坦描述引力必须要考虑弯曲空间呢？
《从零学相对论中》提到：
三维空间的曲率是难懂的。首先，利用线元可以定义一个称为曲率（Curvature）的张量，又称黎曼张量，是由线元所决定的诸多几何性质中很重要的一个性质，有四个要点：
1）各点曲率都为零的空间称为平直空间（flat space），否则称为弯曲空间（curved space）。如果空间是时空（其中一维代表时间），则平直空间和弯曲空间也分别称为平直时空（flat spacetime）和弯曲时空（curved spacetime）。
2）欧几里得空间是平直空间，而闵氏时空是平直时空。等等，什么是闵氏？？？
插播一下：

狭义相对论不仅判定光以太不存在，它确定电磁波是一种波动，就得出场是一种与“实实在在”的物体不一样的物质。也判定牛顿的绝对时空不存在，并将一维时间和三维空间联系在一起，组成四维时空。爱因斯坦的老师，赫尔曼·闵可夫斯基最先发现了这一点，即闵可夫斯基时空（Minkowski Spacetime），而由此所产生的几何也成为具有度规张量的欧几里得几何，其符合洛伦兹变化，因此也称作闵可夫斯基度规。

引自
Minkowski space - Wikipedia3）球面是二维弯曲空间的简单例子。球面上任一点的曲率都非零。
4）狭义相对论以闵氏时空为背景时空，而广义相对论则以弯曲时空为背景时空。
而在《宇宙密码——作为自然语言的量子物理》一书中，作者是这样描述的：
让我们先设想一个只有二维的空间，好比一张向各个方向无限伸展的极大的纸。这张纸上的居民都是平面的影子。他们只有二维，根本不知道三维这回事。在他们的纸上可以进行几何测量。他们的世界符合欧几里得几何学，即平面几何。当他们测绘三角形内角和之时，得到的总是180°。在这张纸上绘制两条平行线，永远也不会相交。
现在把二维影子人转移到一个新的世界，即一个大的球体表面上去，这些影子人完成了一个技术的突破——发现了激光。他们突然发现，发射出的两条平行线在穿行了1800米之后就开始碰头了，怎么校正液改变不了这个结果。其中一些影子认为，这个新世界里的光束不沿直线运动；而另一些影子则认为，光束就是按照直线运动，因为光束总是沿着最短的路径运动，而直线就是最短的路径。后来他们才意识到，光束其实木有问题，倒是光束通过的空间有了问题，这空间是弯曲的，不是平直的。
我们自己的历史，同上述影子朋友们的历史很相似。只有一点不同，那就是我们的历史发生在三维空间中而不是二维空间里，我们生活在一个弯曲的三维空间世界，但恰恰像影子朋友想象不出他们的新世界是弯曲的二维空间一样，我们也不能设想一个三维弯曲的空间是怎样的。


图片来自
宇宙有尽头吗？平坦宇宙又是什么呢？在最上面的图形中，封闭的球面内三角形内角和大于180°，曲率为正，两条平行的“激光”肯定会相遇，这是一种非欧几里得空间；
中间的那副图形，是一个开放的双曲几何面，也是一个非欧几里得空间，对它来说，三角形内角和小于180°，曲率为负，“平行”激光苏发散；
最下面的图形，是我们非常熟悉的平面欧几里得几何面，对它而言，三角形内角和等于180°，平行的激光束永远不会相遇，曲率为零。
退回到牛顿定律的旧概念，就认为地球等物质产生了一个能吸引其他物质的引力（重力）场，而爱因斯坦省去了引力的概念，以弯曲空间的几何形态取而代之，实际上他发现：引力就是几何形态。物质使它附近空间的几何形态由平直变为弯曲。
但这是否是一种想当然的想法？还是它真的准确的描述了空间的本质？
为验证广义相对论引力是时间和空间的曲率的原理，爱因斯坦建议进行三个实验。
分别是：第一，太阳引力场中光的轻度弯曲；第二，水星轨道的小偏移；第三，钟表在引力场中稍有延缓。
对于第一个实验，如今科学家们用射电干涉仪来演示这个实验，这种设备能精确测量星系和星体一类远距离射电源在从太阳后面经过时的位置，但在1916年爱因斯坦提出这个实验的建议时，还没有射电望远镜。
欧文·夏皮罗和他麻省理工学院的同事们，设计了一个漂亮的实验。它们在实验中，根据一颗行星从地球上看来正好在太阳后面经过而刚要被太阳遮蔽之前，他们会向这颗行星发射强雷达信号，如果这个行星被太阳遮蔽了，雷达束就传不回来了。但在它刚刚要被遮蔽之前，雷达信号（同一束光一样）从地球发出，再由那遥远的行星反射到地球，我们可能测量它所花的时间总量。按照广义相对论原理，由于空间的曲率，一束光在很靠近太阳边缘的地方经过时会稍有弯曲，这就使光束往返的时间比它不掠过太阳边缘的时间要长一些。


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Introduction to general relativity这个预言在微小的实验误差范围内被证实了。1979年发现的引力透镜，恐怕是对光的弯曲最为激动人心的例证。


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What is gravitational lensing? (w/ Video)对于广义相对论的第二个验证，是法国天文学家勒威叶在1859年发现的水星轨道的微小移位，这个现象也叫做近日点提前。爱因斯坦的广义相对论预言了这个同牛顿万有引力定律的微小差别，并计算其数值为每100年43弧秒，与勒威叶发现的差异精确相符。如今的强大雷达能辨别出水星表面上的山脉与凹地。


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广义相对论的六大验证_原理_传送门对广义相对论的第三个验证，是时钟在引力场中应走得慢些。引力越强，时间流逝得越慢。时钟减慢的这种奇怪效应是很弱的，只有非常精确的时钟才能检测出来。
在20世纪50年代后期，一位叫做伦纳德·希夫的物理学家开始寻找一种可以验证爱因斯坦理论的简便方法。希夫的想法是：陀螺。
在斯坦福大学的教职工游泳池里，1959年，希夫与另外两位同事威廉姆·费尔班克和鲍勃·卡农分享自己关于高精度陀螺仪的怪异想法，尽管在游泳池这个地方分享也十分怪异。


图片来自《宇宙的构造》
然而，三人经过商讨后，决定把类似的设备送上太空，使其绕地球运转。通常情况下，陀螺仪的轴线指向固定的方向，但如果地球使得空间扭曲了，陀螺仪的轴线也会随之变化，而陀螺仪轴线的偏角是可以被测量的。
这个想法非常巧妙，只是，根据爱因斯坦的理论，地球对于其空间的影响非常微小，测量陀螺仪的角度偏转相当于从62英里以外测量一个硬币的直径。


图片来自《宇宙的构造》
研究小组花了两年时间研究如何测量一个如此微小的数值，他们的最终想法是：将四个独立的陀螺仪装载在一个卫星上，卫星的中轴指向一个恒星，如果空间发生扭曲，时间越长，陀螺仪的中轴将会越来越偏移恒星，由此他们就能扑捉到空间的扭曲。


图片来自《宇宙的构造》
1962年，他们向美国国家航空航天局申请了一笔经费，价值在100万美元左右，这个计划被称为引力探测B计划。研究小组的成员原本以为这个计划将在三年内完成，但事与愿违，由于小组的冗员太多，人物繁杂，引力探测B计划成为了史上最为漫长的马拉松式计划，为了实现最终的设想，他们花费了几十年的时间，除了将必要的卫星发射进太空外，还需要制造高精度的陀螺仪，后者将会是人类制造历史上出现过的最为光滑的物体。


图片来自《宇宙的构造》
布拉德·帕金森就说：“这个计划就是一场噩梦，就像在驴子面前挂了一捆新鲜的胡萝卜，当做这些研究时，我们总觉得还有5到10年就可以完工了，就这样折腾了大概35年。”
在花费了40多年的时间和7500万美元的经费之后，这个计划还曾经九次差点被NASA咔嚓掉，最后，在2004年的4月，这个团队聚在一起见证了这个众望所归的时刻，1959年坐在游泳池讨论的三人组中，只有一个人活着见到了这一幕。
罗伯特·卡农说：“真希望他们也能见到这一幕，这是我生命中最激动的时刻，这是一场曲折惊险的经历。此生无憾，一切的努力都没有白费。”
在接下来的一年时间，引力探测B计划卫星围绕着地球飞行，研究小组严密地注视着卫星的全程运转，试图观测到地球导致空间弯曲的证据。终于，数据开始发生缓慢地变化，然而还是出现了一个问题，陀螺仪正在缓慢地发生微小的错位：


图片来自《宇宙的构造》
这一变化很可能会导致这些价值数百万美元的数据丢失，随着研究经费的日期紧张，近半个世纪的努力就要打水漂，然后在这个紧要关头，研究小组获得两笔重要的救命筹款，小组创始人威廉姆·费尔班克的儿子以私人名义向该项目捐款，还有一位阿拉伯皇室成员，曾经获得过斯坦福大学航空学学位的阿卜杜拉·阿齐兹，他为这个研究提供了很多的便利。
在接下来的两年内，数据的难题被有效地解决，数据显示陀螺仪的偏转角度跟爱因斯坦理论预测的数值几乎分毫不差。


图片来自《宇宙的构造》
罗伯特·卡农说：“我觉得这是人类第一次用肉眼看到爱因斯坦理论的效果。”
这次实验有力地证实了空间是一种客观存在的事物，毕竟，如果空间并非客观，那陀螺仪的方向就不会偏转。
20世纪初的量子理论，对人类认识时空也起着剧烈的变化，更引发物理学的震荡。
量子力学描述了这样一个事实，也就是系统的空间位置与动量无法同时精确测量。
量子论预言到，在
10^{-33} 厘米到
10^{-43} 秒这样的小的时空尺度上，时空的经典概念将不再适用。为解决这个难题，就须要在理论上建立自洽的的量子引力理论，即是量子时空理论。然而，量子理论和广义相对论如何结合一直没有解决。
在20世纪末，有关量子的几个重要发现更是引发新的疑虑，这就是量子纠缠、量子隐形传态、量子信息等，在对其研究表明了时空亦有因果性和定域性。
关于时空与因果性的理解，我推荐一下Youtube上的PBS SpaceTime频道的一个视频：《Are Space and Time An Illusion?》
视频地址：
https://www.youtube.com/watch?v=YycAzdtUIko&list=PLsPUh22kYmNAmjsHke4pd8S9z6m_hVRur我来为大家配图硬翻一下：


那么究竟什么是时空呢？
在我回答之前，需要你们为我做一件事。放下你们对于时间与空间（运作）所有的直觉，刚开始，也许你的大脑会抵制并且拼命地固守那些直觉不放，没事的，这种反应是正常的。对于任何人来说，这都极具挑战，包括爱因斯坦。
准备好了吗？
开屎。


时空指的是在我们对于物体之间的空间以及事件之间的时间的集体经验的基础上所构建起来的任何的外在现实。
为什么空间和时间不能够就是一个现实？
为什么要要把时空作为一个额外的概念？
听我道来。
假设两个观测者相对于彼此进行移动，可以把粒子视作观测者。
事实1——对于事件之间的时间间隔，两人的观测结果不同；


事实2——在任意一个给定的时刻，对于物体之间的空间大小他们的观测结果不尽相同；


事实3——甚至在对于所有事件的时序上，他们的观测结果也不同；


然而，每个观察者又分别进行了正确的测量，且前后一致，这就意味着二者的结果都没有错。


乍一听十分荒谬，但这是真实的。这里有不少其它的资料，我们把其中的一些链接放在下方的”视频描述”部分，并讨论了其中存在的差异和相关的实验证据。
Spacetimehttps://en.wikibooks.org/wiki/Special_Relativity/Spacetime
Special Relativity/Simultaneity, time dilation and length contraction
但今天，我们就只取其字意，重点来看它们能折射出什么样的现实本质。
之所以这么做，是因为如果你对此进行思考，会发现其中的某些推论令人相当的瞠目结舌。
以（二者）关于事件顺序的分歧为例，这造成的后果是相当地严重。如果两个观察者不能在事件的顺序达成一致，这意味着，在此刻，一个人的过去是另一个人的未来。


当然了·，对于局部的事件，影响甚微，但是那又如何？任何的异议都意味着对于过去、现在以及将来都没有统一绝对的分割，而这将会导致许多重要的哲学问题泛滥成灾，比如自由意志以及关于我们可以改变未来的诸多想法。
所以，是否我们每个人关于宇宙的体验都是完全主观的？
或者换一种姿势，如果我们平常所感知的时间与空间并不是客观实体的一部分，那么什么才是？


因果关系。
因果关系。
因果关系。
重要的事情说三遍。


听我解释哈。
要理解客观实体，一个绝佳的起点就是普遍的认同。
不过幸运的是，所有的观察者都同意这件事:


这就是所谓的时空间隔，或者两个事件之间的时空分割。
S. I=(\Delta x)^{2} -(c\cdot \Delta t)^{2} 即使在相对运动中的两个观测者，对于相同的两个事件之间的距离和时长所得的测量结果不同，他们也都会认同这两个事件之间的时空间隔。
现在，如果每个人都同意关于时空间隔的普适性，那么它们的意义必然重大，但是体现在那些方面呢？
我们会发现，因为它涉及到减法，一个时空的间隔可以是正数，零或负数。
当它为正时，没有什么可以从一个事件传递到另一个，并且总有观测者不同意事件的先后顺序。


当它为零或负时，信号或物质便可以从一个事件传递到另一个，并且所有人都同意它们的顺序。


所以由此看来事件A和B之间的时空间隔，可以判断A是否能影响B。话句话说，即使我们不能同意关于过去，现在，未来，时间，或距离的普适，大家似乎都同意因果关系。


这似乎有点违反直觉。
通常情况下，我们认为时间决定因果关系。


但实际上正好相反。


在某种程度上，我们关于时间上的任何一致也都是由于因果关系。
因果关系才是真实的。
那么，因果关系与时空有什么关系呢？
事实证明，息息相关。
我们来看，在相对论面世的不久之前，在爱因斯坦之前一位叫做赫尔曼·闵可夫斯基的数学教授注意到时空间隔酷似某个距离公式的一个奇异版本，而在那种状态下，它被叫做非欧几里德空间。


于是，他提出了下面的一种激进设想——也许现实并不是在时间中不断演化的三维空间。相反，它是一个四维的非欧几里德数学空间一直静静地存在着。
没有什么演变。
也没有时间。
这个四维的数学空间就是时空。
坐标内的每个点代表对应的事件。
所有的事件，包罗万象，亘古永久。


在此看来，只有在这个四维空间中具有对应的几何关系的事物才是客观真实的。
比如，因果关系，它们对应于时空间隔，后者是一种几何关系，即一个非欧几里德版本中两点之间的距离。


相比之下，我们对于时间和空间的种种体验和测量在本质上并不对应于任何东西。它们更像是我们在数学课堂上使用的XY坐标系，在黑板上演示十分有用，但本身却没有具体和内在的意义。而黑板，它上面的每个点与几何信息，无论我们是否放上坐标系，都实实在在地存在着。


那么，您是客观真实的吗？
嗯，有点。
如果你是涉及到你的所有事件的某个顺序，那么你就是时空中的一个几何物体，一条连接着代表你的出生与你的死亡这两个事件的两点之间的线段。
你能沿着这条线段移动吗？
不行。
你就是这个线段。


时空中不存在运动。
这不是那种空间。
它没有时态。
而且你的未来不仅仅是被预定了。
它早已存在。
在尝试理解时空方面，有一些禅宗的概念可以做到不跑偏，但我觉得下面这波更对节奏。
试想一下，我们都在读一本用坐标纸制成的翻页书，我们都同意在这个故事里所发生的事件，但我们不互相认同它们在页上发生的地点、事件之间的页数或者甚至是这些事件中某几个的顺序。


然而，我们都在读同一本书，只是在纸上没有图形，没有页面，而且没有书。
所有这一切都仅仅是一种大脑施加的映射，为了能让我们理解"它"是什么。那么，为什么我们会以这样一种栩栩如生的立体而又时序的方式来感知现实呢？


好问题。
没有人真正知道答案。
因此，我有告诉你关于时空的一切吗？
没有，差着远呢。
所有这一切都只是对所谓扁平时空的一个粗鄙的简介。


一旦广义相对论进入范畴，我们会发现，有许许多多种可能的时空。这些时空形样各异，以至于你难以一对一地把它们联系起来。
但在行走之前，我们得先学会爬。
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参考资料：
《宇宙的构造》
Spacetimehttps://en.wikibooks.org/wiki/Special_Relativity/Spacetime
Special Relativity/Simultaneity, time dilation and length contraction
https://www.youtube.com/watch?v=YycAzdtUIko&list=PLsPUh22kYmNAmjsHke4pd8S9z6m_hVRur
Spacetime | what is?
Are Time And Space An Illusion? | Tech and Facts
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%97%B6%E7%A9%BA
Introduction to general relativity
广义相对论的六大验证_原理_传送门
《从零学相对论》
《宇宙密码——作为自然语言的量子物理》
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