【续】宇宙的终极图景

        我们从建立时空这个概念开始，然后由时空我们看到了神奇的时间旅行，再来到广袤的太空做起了星际旅行和星际贸易，希望这趟旅程能称得上我一开始就跟你承诺的“惊奇之旅”。
　　
　　你可能还意犹未尽，沉浸在时间旅行和星际旅行的遐思中，甚至有点恋恋不舍，难道关于时空的惊奇之旅就这样结束了吗？真的就这样结束了？
　　
　　哦，我很高兴的告诉你，没有，还没有结束，时空之旅还有最后一段旅程，可能这最后的一段旅程称不上惊奇，但我敢保证，最后这段旅程绝对是一场思维的盛宴，它将挑战你的想象力极限，这是相对论的最高潮部分，就像伟大的贝多芬第九交响乐的最后一个乐章《欢乐颂》一样，旋律和节奏都没有任何的惊奇之处，但是它所展现出来的恢宏和气势，堪称人类交响乐史上的喜马拉雅山。如果真有一个上帝的话，那么我们时空之旅的最后一段将要照耀出来的人类理性的光辉，必会让上帝都感到夺目。
　　
　　我们将在下一章体会相对论的高潮，同时揭秘2005年国际物理年标志的含义，为什么全世界的科学家会选择用这个标志来纪念相对论诞生100周年呢？

　　我们人人都是生活在一个四维时空中，其中，空间有三个维度，时间一个维度，我们在四维时空中的运动速度恒定为光速，这是我们在上一章中了解到的内容。把三维的空间拓展到四维，这个并不是爱因斯坦首先想出来的，而是他的大学老师，德国数学家闵可夫斯基首先提出——应该把时间也作为空间的一个维度与另外三个维度整合起来。在他看到自己学生爱因斯坦的相对论之前，他就有了时间维的初步想法，在看到相对论后，闵可夫斯基恍然大悟，一点就通，数学大师不愧为数学大师，他很快（1908年）就在相对论的基础上建立起了闵可夫斯基时空的数学模型，爱因斯坦对此也是敬佩不已的。下面首先让我们来看看闵可夫斯基的四维时空图是怎么回事，这可是一个相当有趣的模型。
　　我们图只能画在二维的平面上，在二维的平面上想表达三维的物体本就已经很困难了，还要学会透视法什么的，现在居然闵可夫斯基想在二维的平面上表达四维空间的运动，那真是具备超凡的勇气和智慧的。闵科夫斯是这么想的，运用二维上的透视法，最多只能画出三个维度的物体形象，这个是我没法改变的，现在我必须要体现出时间这个维度，那么既然如此，我只好牺牲一个空间维度，让我们先把三维的空间压缩成两维的空间，这样我们就能在纸上把空间和时间尽可能的画在一起了。

于是，闵可夫斯基画出了这样一张时空图：

　　图 8-1闵可夫斯基四维时空基本图
　　
　　我已经看到了你失望的眼神，你可能满心期待能看到一张惊世骇俗的做梦也没想到过的神图，可惜，看到的貌似就是一张随便找本中学数学课本打开就能看到的图。各位，耐心点，真正精彩的大片往往都是从平淡的开头开始的，鲁迅先生诗曰：“心事浩茫连广宇，于无声处听惊雷。”我觉得形容的正是你接下去将要看到的内容。请先耐着性子听我解释一下，上面这张图的X轴和Y轴表示空间坐标（把一个空间维度，也就是Z轴给忽略了），并且空间坐标是两端延伸的，表示在空间中可以朝正反两个方向运动。竖着的这根线就是时间坐标（ict），为了让坐标系的单位统一，所以这根坐标的单位是光速c乘以时间t得到的就是跟空间坐标单位一样的距离概念了，那为什么前面还要加一个i呢？在高等数学里面，i表示虚数，也就是说，闵可夫斯基为了表达时间这个维度和空间维度的区别在于时间维只能朝一个方向运动，所以加了一个表示虚数的i以示区别。

        闵可夫斯基四维时空坐标的要点是：1.所有的坐标轴互相垂直。2.坐标轴单位统一。3.表示时间维度的轴只能朝一个方向运动。
　　接下去，我们的思维盛宴要开始慢慢上菜了，第一道菜：如果以地面为时空坐标原点，站在地面上不动的爱因斯坦，他的时空运动轨迹是怎样的？

　　先思考5秒钟，然后我们上菜：

　　爱因斯坦在时空中的运动轨迹是一根和时间轴平行的直线，他在空间中没有相对运动，但是在时间中运动，因此时空图如上所画，应该很好理解对吧。闵可夫斯基把物体在时空中运动的轨迹称之为“世界线（World Line）”，这根世界线上的每一个点称之为“世界点（World Point）”，请记住这两个名词，我们后面就直接用这两个名词来说事，可以节省很多笔墨。我想特别提请各位读者注意，世界线是真实存在与我们生活中的宇宙中的，你不能把它仅仅当作是闵可夫斯基的头脑风暴练习，或者是一种假想图，它是一个客观存在，就如同民航管理局绝不能忽视一架飞机在空间中的飞行轨迹一样（如果轨迹计算不精确，可是要撞机的），未来如果有一天成立了时空管理局，那么世界线就会如同现在的飞机飞行轨迹一样重要。

　　第二道菜：仍然是以地面为时空坐标原点，一列在地面上行驶的高铁（今天正好是京沪高铁开通的日子，听了一天的新闻了），它在时空图中的世界线是怎样的？

           

        第二道菜：仍然是以地面为时空坐标原点，一列在地面上行驶的高铁（今天正好是京沪高铁开通的日子，听了一天的新闻了），它在时空图中的世界线是怎样的？

　　你可能脑子里面有答案了，我们上菜，看看是不是想的一样：

        高铁的世界线是一根斜线，因为它在时间维运动的同时，也在空间维中运动，所以时空轨迹就是一根斜线。

　　第三道菜：这次如果以太阳作为参照系，请分别画出地球和太阳的世界线。
　　这次的题目貌似难了一点，地球是绕着太阳做圆周运动的，它的世界线应该是怎样的呢？让我画出来给你看：

　　地球的世界线就像是一条盘绕在太阳世界线上的蛟龙，蜿蜒而上，是一条规则的螺旋线。这次你可能要稍稍想一下才能理解过来，不过我相信这肯定难不倒你，这道菜你还是很轻松地就吃下去了。

        我看这里很多人对奥卡姆剃刀原理有误解，希望大家能再咀嚼一下我前面说道的“在理论精度达到的前提下检测不出，才能称之为假设二，比如MM实验中，理论上干涉仪的精度绰绰有余，但是却没有检测到，所以才能应用奥卡姆。”如果在理论上实验设备的精度都达不到，那么就不适合奥卡姆剃刀原理了。
　　
　　通俗一点的例子是：
　　你拿着一个10倍的望远镜在1000米半径内没有看到人，你可以用奥卡姆原理说估计多半是真的没有人（当然，奥卡姆的思想是‘有可能更接近真相’，并不是一个绝对化的陈述）
　　你拿着一个10倍的望远镜晚上朝着月亮看，但是没有在月亮上看到人，这时候你不能用奥卡姆原理说月亮上多半真的没有人。
　　上面两个例子是不同的，希望各位能细细咀嚼个中差别。

    　第四道菜：以湖面作为参照系，请画出一颗石子扔进湖水中产生的一个涟漪的世界线。
　　这道菜看来有点看不懂，不知道该从哪里下筷子，别心急，让我来帮你一起画出涟漪的世界线：

湖水中的一个涟漪的世界线不再是一根“线”，因为涟漪无法再看成是一个“点”了，它的世界线实际上是一个倒放的圆锥体，随着时间的增加，体积不断增大。

　　第五道菜：以太阳为参考系，请画出太阳光的世界线。
　　这次可是真正的挑战来了，太阳发出的光不同于一个平面上的涟漪，太阳是一个球体，它向空间的四面八方发出光芒，把太阳想象成一盏灯泡，在点亮的那个瞬间，就会形成一个光球（你可能会想起爱因斯坦的第一个梦“环球快车谋杀案”），这个光球在百万分之一秒就达到了直径600米，一秒后，直径就达到了60万公里，相当于地球直径的47倍，这个光球可以装下10万个地球，这仅仅是一秒钟，真是一个疯狂暴涨的光球啊。
　　
　　这个光球不同于火车和涟漪，它在空间的三个维度中都在运动，因此我们是不可能准确地在只有三个维度的时空图中画出它来的，但是如果我们忽略其中的一个空间维度的话，我们会发现光球的扩散在二维平面上的投影和湖水的涟漪是一样的，随着时间的增加而不断地向四面八方扩散。于是，如果在忽略了一个空间维度的时空图中画出来的话，太阳光的世界线和涟漪的世界线是一样的。如下图所示：

　　这个由光形成的圆锥体，闵可夫斯基把它称之为“光锥”，当然，真实的四维时空中的光锥是一个四维光锥（或者可以叫超光锥），我们现在看到的只是它的三维近似形状，但是这个四维光锥的基本特点在上面这张图上是基本准确的，随着时间的增加，光锥的体积迅速地增大。

        我们现在是用了一个会发光的太阳作为时空坐标原点，我们很容易就画出了该时空坐标的光锥图。下面是重点来了，请一定听仔细，任何一个事件都可以当作是时空坐标原点，不管这个事件会不会发光，我们都可以假想这个事件是发光的，那么可以画出这个事件的光锥图，这个光锥被闵可夫斯基称之为“事件的将来光锥”。什么叫事件？宇宙中发生的任何事情都可以称之为一个事件，小到一根针落地，大到太阳爆炸，一切一切的事情都可以称之为一个“事件”。

--来自汪洁《时间的形状》?

---未完待续---