深度长文：空间与时间的奥秘，静止与运动的关系，有点烧脑！值得收藏慢慢品味！

宇宙从何而来，又向何处去？宇宙有开端吗？如果有的话，在开端之前发生了什么？时间的本质是什么？它可以倒流吗？它会有一个终结吗？

亚里士多德认为物体的自然状态是静止的，只有受到力或冲击的推动时才运动. 这样重的物体比轻的物体下落的更快 .

两个铁球同时落地实验

然而我们大家都熟知的伽利略定律推翻了这个推论，那个著名的实验是：两个铁球同时落地。两个重量大小不一致的铁球从高塔上丢下来，两个铁球的运动速度是一样的。当然，一个铁球比 一个羽毛球下落得更快些，那是因为受到空气阻力的影响。如果是在月球上，那么一根羽毛和一个铁球也是同时落地的。事实也证明这一点！

根据牛顿的理论，当物体下落时，它一直受到它的重量的作用，其效应是使它恒定地加速。这表明力的真正效应总是改变物体的速度而不是仅仅使它运动。只要物体没有受到外力，他就会以同样的速度一直保持直线运动。这在1987年牛顿的《数学原理》一书中被明确提出来。被称为牛顿第一定律。

牛顿第二定律指出，物体在被加速或改变其速度时，其改变率与所受的外力成比例.（如果力加倍，则速度也加倍）而物体的质量越大则加速度越小。就比如两台同样的汽车，汽车越重，其加速度越小。而任何物体都相互吸引，其吸引力的大小与物体的质量的大小成正比。

因此，两个不同质量的铁球，其加速度的力与其所受的引力相互抵消。

牛顿还告诉我们，物体相互距离越远，其引力越小。这个定律极其精确地预言了地球，月亮及其他行星的轨道。

牛顿的定律同时使我们意识到，并不存在绝对的静止。

比如你坐在椅子上，一天没有动，相对于地球来讲你是静止的，而相对与月亮而讲，你又是在某个固定的速率下运动。

你坐公交车，车上的人看你是静止的，而车下的人看到你在运动。而你看车下某一个静止与地面的物体是运动的。

接下来有点烧脑：绝对静止的标准意味着人们不能确定，在不同时间发生的两个事件是否发生在空间的相同位置上。你在公交车上看到一个人在跳绳的孩子，对于他来讲他跳起来落回在原地，而对你来讲你看到的是5米远以外的位置。

我们都相信绝对的时间和空间，因为我们可以丈量它，感受它。而牛顿的理论却已证明了绝对空间的不存在它如同幽灵一般无法捕捉。

1676年，欧尔.克里斯.秦森.罗默第一次发现了光以有限但是非常高的速度旅行的事实。大概以每秒140000英里。它的发现在当时并没有得到广泛认可. 直到1865年，当英国物理学家，詹姆士.克拉克.麦克斯韦成功地用以描述电力和磁力的部分理论统一起来后才有了光传播的正确理论：

在合并的磁场中可以存在波动的干扰，光以波浪式的形式运动。如果这些波的波长为一米或更长一些，它们就是我们所谓的射电波，更短的波长为微波（几厘米）或红外线（长于万分之一厘米），可见波的波长在一百万分之四十到一百万分之八十厘米之间。更短的波长被称为紫外线，X射线和伽马射线。

但是牛顿理论已经摆脱了绝对静止的观念。所以如果光以固定的速度旅行，人们就必须说出这固定的速度是相对与何物来测量的。因此有人提出，存在着无所不在的称之为“以太”的物质。甚至在“真空的”空间中也是如此。正如声波在空气中旅行一样，光波应当通过“以太”进行，他们的速度是相对于以太而言的。

那么研究光的旅行和空间又会对时间产生什么样的影响呢？既然空间不是绝对存在的，那么的时间呢？又是什么在影响着时间？

这张图显示了一股喷流以接近光速的速度从黑洞中喷射出来。当物体接近光速时，时间的行为就会变得非常奇怪。

我们根本就不太理解时间这个概念。

每个人都会经历时间——确切地说是每天都会经历——但是我们对时间这个概念缺乏严格和全面的理解。不过我们也确实知道一些事情，尤其是当我们用狭义相对论和广义相对论的视角来看待时间的时候。爱因斯坦的研究成果教会了我们很多东西：空间和时间是相互联系的，你永远不能比光运动得更快，我们的宇宙有一个有限的年龄，不同的观察者会经历不同的时间长度。

所有这些发现都引出了一些有趣的问题。是时候进行一下综述了。

宇宙多大了?

根据我们目前最有把握的估计，我们的宇宙已经有137.7亿年的历史。但当考虑上狭义相对论的时候，我们知道，每个人测量时间的方式都不同，这取决于他们的速度。而在地球上的我们，绕着太阳旋转，太阳又绕着银河系旋转，银河系又在星系间真空中穿梭，所以，在不同星系，不同恒星的不同行星上，对时间流逝的视角应该会非常不同。那也就是说，我们怎么可能确定宇宙的“真实”年龄呢?

诀窍就在这里。的确，根据狭义相对论，不同的观察者有不同的时间尺度。但是我们的整个宇宙并不是完全由狭义相对论描述的，我们用来理解宇宙物质的工具是由狭义相对论的老大哥广义相对论提供的。当我们从广义相对论的角度来看宇宙的历史时，我们就会发现宇宙有着一段历史。

我们的宇宙随着时间而膨胀，现在的宇宙比以前的宇宙要大，比将来的宇宙要小。特定的时间点和特定的宇宙大小之间有着直接的联系。这使我们能够建造一个相当于宇宙时钟的东西，一个已经滴答滴答走了130亿年的时钟。

是的，地球在宇宙中的运动也稍微影响了这个时钟，但有了广义相对论这个工具，我们可以去掉这些微小的影响，然后计算出“真实”宇宙的年龄，当然了，在宇宙其他地方的观察者也完全可以这样做(前提是假设他们也发展出了了广义相对论，但这是他们的事情了)

光也会经历时间吗?

移动的时钟会走得慢。你在空间中运动得越快，在时间中运动得就越慢，这是爱因斯坦狭义相对论最令人惊奇的结论之一，它也是将时空之间的独特关系可视化的一种方法。这种“时间膨胀”效应在你日常生活中经常体验的速度下是完全不明显的，只有当你接近光速时，时间才会变得不稳定。

那么，如果你的速度越来越接近光速的时候时间对于你来说会变慢的话，那么光本身呢？光以宇宙的最高限速运动，难道光就不会经历时间吗?

有点这么个意思，但也不完全是。我们对时间和空间之间关系的认识依赖于狭义相对论。虽然这个理论产生了各种各样疯狂的结果，但它其实基于一些非常简单的想法，其中最重要的是物理定律普遍性的概念：如果一个现象对一个观察者适用的话，从根本上说，这个现象也适用于所有观察者。

而通过麦克斯韦方程，我们知道，在物理学中光速是恒定的。每个观察者(不管他们的速度如何)都会测量到速度一样的光速。

所以，如果我们想把狭义相对论的知识应用到光速运动中的话，我们会遇到一个小问题。为了问出“光是如何经历时间的？”这个问题，你必须把自己置于一个场景中，在这个场景中你与一束光一起运动，这束光对你来说是静止的。

但我们的物理定律不允许有这样的事情发生，所以与一束光同行这样的情景并不存在，而没有这样的场景，狭义相对论就会崩溃，没有狭义相对论，你就无法测量空间和时间之间的关系。

所有这些扭曲的思想实验最终得到的是什么结果呢？并不是说光不会经历时间，而是我们对时间的概念并不适用于光。

光甚至不知道时间为何物！

哪个双胞胎才是对的？

现在有一对双胞胎，哥哥坐着火箭以接近光速的速度进行太空旅行，弟弟则乖乖呆在家里。在返回地球这个无聊的行星之前，进行太空旅行的哥哥绕着银河系旋转，玩的不亦乐乎，而弟弟则在地球上无聊地洗衣服。

根据哥哥的说法，这次太空旅行可能只花了几周或几个月的时间，算是一次长途旅行，不错，但是长不到哪里去。不过对弟弟来说，他却忍受了数年，甚至是数十年的极度孤独。

这个部分并不令人惊讶，移动的时钟走得很慢，诸如此类的说法我们已经有所耳闻。根据弟弟的说法，哥哥以接近光速的速度移动，因此经历的时间更慢。

但且慢，哥哥也可以说他才是静止的，而整个宇宙，包括弟弟才是在一直运动的，这完全没毛病，毕竟，相对论就是相对的，没有人的观点是特别的。所以根据哥哥的说法，弟弟应该不会老才对。

那么到底是谁赢得了这场关于年龄的争论?

孤独、缺乏冒险精神、待在地球上弟弟赢了，因为他没有“转身”。只要哥哥保持在一个方向上运动，他们的视角就是完全对称的，每个人都有自己独特的视角，他们都可以说自己的视角是正确的。但一旦火箭减速、停止并掉头，这种对称性就会被打破，他们的视角就不再是对称的了。火箭上的哥哥会看到可怕的现实在一眨眼间追上他：在地球上的弟弟会突然变得十分苍老，而他们对此无能为力！

可以这样简单地理解，哥哥和弟弟处在两个完全不同的时空系统，他们拥有各自的时间（本证时间），他们的本证时间无所谓对错，他们也只需要对自己的本质时间负责，别人的时间与他们没有关系。

但是，一旦哥哥乘坐的火箭减速，停止并掉头，然后回到地球，哥哥和弟弟就处在同一个时空系统里，拥有同样的本证时间。而哥哥乘坐的火箭减速，停止并掉头时会产生巨大的惯性力。

根据爱因斯坦广义相对论的等效原理，惯性力与物体的引力是等价的。最简单的例子，如果你身处一个完全封闭的电梯里，然后闭上眼睛，电梯以9.8的加速度上升，你无法知道到底是站在电梯里，还是站在地面上。两者是等效的。

而巨大的惯性力会让时间变慢，就像黑洞附近会让时间变慢一样（黑洞的引力巨大）！

当然，用爱因斯坦的狭义相对路也能分析出上面的结果，不过非常非常复杂，会有非常复杂的数学公式计算（之后会有相关分析计算，敬请持续关注）。而用广义相对论分析就简单很多！