Question

如何简单理解相对论里的时间和空间相对性？一张简单的坐标图搞定

Answer 1

上世纪初，德国+瑞士（双国籍）物理学家阿尔伯特·爱因斯坦提出时间和空间具有相对性的全新时空理论—— 狭义相对论 。

在这个划时代的物理理论里，爱因斯坦指出时间和空间并不是绝对的，它们是相对的，但它们作为一个整体的时空却是绝对的。

很多人在听说相对论时都有一个误解，以为根据相对论，一切都是相对的，其实这种认识是错的，因为在相对论里头，只是把一些原本被视为不同的个体、互相独立的“东西”重新统一起来，比如时间和空间（统一为时空）、质量和能量（统一为质能）。

但是这些统一后的“东西”却是绝对的，比如时空是绝对的！质能也是绝对的！使时间和空间、质量和能量产生相对性的速度极限——光速也是绝对的！

惊喜不惊喜？意外不意外？因此，爱因斯坦本人其实并不喜欢人们把他的理论称为相对论，但很可惜相对论这个名字太有魔性了，当时已经传开了，可谓覆水难收啊，爱因斯坦也很无奈……

虽然时间和空间、质量和能量都是一个整体，但是在我们的日常生活中，它们的表现却又截然不同。所以我们常常把它们看作独立的个体来加以区分，此时，相对性就出现了。

前面说过，使他们产生相对性的就是速度，在经典物理里，速度就是一个空间和时间的比值，单位一般是：m/s（米每秒），代表的是一定 时间间隔 内物体所经过的 空间距离 。那它是怎样产生时间和空间的相对性的？

我们先来解释一下什么是时间和空间的相对性…… 按照狭义相对论，当运动物体的运动速度趋近于光速，它的时间会变慢——时间间隔增加，尺子会变短——空间距离收缩。因此对于静止的观察者看来，运动者的时间间隔和空间间隔都变得不一样了：运动者相对于静止观察者时间变慢了——时间膨胀相应，空间（运动方向上的一个维度）收缩了——尺缩效应。

这就是狭义相对论关于时间、空间相对性的其中两大效应。

那么运动速度又是怎么导致时间和空间的相对性的？要理解这个我们就要把时间和空间统一起来了。爱因斯坦在提出狭义相对论的时候就指出时间和空间必须作为一个整体来考虑，我们的世界不是只有长宽高三个空间维度，而是要加上时间组成时空，一共四个时空维度。我们现在把它称为四维时空。

在爱因斯坦发表狭义相对论后不久，他的大学数学老师，数学家闵可夫斯基就把狭义相对论里的时空几何化，把时间合并到三维空间的坐标里，使空间增加一个维度，构成一个四维时空——闵可夫斯基空间。

在狭义相对论里，虽然把时间和空间视为一个整体，但时间是一个特殊的维度，在四维坐标里是一条虚数轴。闵可夫斯基要把它转化成空间几何时把它乘以速度的极限光速后再乘上一个虚数，表示为ict（即1秒=i×光速×1秒=300000000i米，是一个虚数），这样就利用光速与时间变换出的空间长度得到一个虚数轴。

如果看不明白上面讲的也没关系，因为在理解时我们其实直接忽略掉上面的虚数就好了，不化成空间，我们自己用时间来表示：

这是一个精简了一个空间维度的时空图——三维时空图。因为化成四维太复杂了……这是不是比前面那个图简单好多？但还没完，要简单理解速度怎么产生时间、空间相对性我还要拿走一个空间维度，变成一个二维时空……

上图就是一个终极精简后的二维时空图，不能再精简了……横坐标是空间，纵坐标是时间，黄色斜杠和绿色斜杠长度相等，分别代表不同速度下的时空间隔。我们前面说过了， 时间是相对的，空间也是相对的，但时空是绝对的。 因此，这两个运动物体在三维空间里的不同 运动速度 ，在四维时空里的 时空间隔 都是一样一样的。 用人话来说就是在四维时空里所有物体的移动速度都是光速！

这样，你就发现，虽然黄色和绿色两个运动物体在时空里的长度是一样的，但在时间和空间坐标上的分量产生了差异。绿色运动物体相比黄色运动物体在时间上的分量更小（时间上位移更慢），在空间上的分量更大（空间上位移更快）。当绿色物体在时间上的分量降为0，而所有的时间间隔长度变为空间分量，则空间上的位移等于光速。

这就表现为前面所说的时间、空间的相对性：时间膨胀效应和尺缩效应。

如果上面的话还是听得云里雾里，我再用人话说一遍： 四维时空里所有物体的运动速度都一样，但当这些物体在同样的时空间隔下在空间里移动越快，在时间里移动就越慢，这就是相对论里的速度越快，时间越慢。当在空间里移动速度达到光速，在时间里就不动了，也就是我们常说的：光速下时间静止了。