1549844Z空间-通俗科普:解读四维时空，时间真的是第四个维度吗?

先说结论:由三维空间和一维时间组成的四维时空（X、Y、Z、T）只能近似地描述我们的世界，而不是完整的。

真相和牛顿力学对世界的描述差不多。

原因是我们的宇宙不能通过一组坐标系(X1)、X2、X3……Xn）完全描述这种形式。

首先，让我们谈谈我们使用四维时空（X、Y、Z、T）的原因。

不考虑时间，在实践中，我们发现我们至少需要三个数字来描述一个物体的位置。

例如，我们使用gps定位，需要三个数字：经度、纬度和海拔来定位我们的位置。

因此，您可以选择三个垂直方向作为坐标轴，并建立一个三维坐标系（X、Y、Z），这相当于你有一张世界地图，可以描述世界上任何物体的位置。

但另一个人小红，她也可以以自己为起点，建立一个坐标系(X1、Y1、Z1)，他也可以用她的地图来描述这个世界。相当于这个世界上有两张不同的地图。

他可以用两个不同的坐标来描述同一个物体A。

但没关系，我们可以用自己的地图读小红地图上的坐标。

例如，当小红在我们的地图上的位置时（a、b、c），而小明和我们选择的坐标轴方向是一样的。

物体小红说位于(X1)、Y1、Z1)，然后我们可以立即知道这个物体位于我们的地图上（X、Y、Z）其中X=X1 a，Y=Y1 b，Z=Z1 c。

我们可以把：X=X1 a，Y=Y1 b，Z=Z1 c，T从小明地图到我们地图的转换

这样，即使世界上有小绿地图、小蓝地图等，我们也可以通过相互转换来理解。

比如我们打电话约小红出去玩，说:我们到了（X、Y、Z）见面！通过地图间坐标的转换，小红立即知道我们所说的位置在她的地图上是(X1、Y1、Z1)。这样她就不会迷路了。

现在进入麻烦的事情了。

在我们面前建立三维坐标的前提是，我们世界的空间是平坦的。坐标系上的任何点（X、Y、Z），从L到原点的距离有如图公式。(表达数字符号真的很麻烦)

但问题是，我们的宇宙不是完全平坦的，而是形状的。

假如你和小红生活在二维球面上的二维生物。

你仍然可以自己建立一个二维的原点（X、Y）坐标系来表达世界上的一切。小红也可以建立自己的坐标系(X1、Y1）。

但问题出现了。在这个世界上，你再也找不到一个转换T来理解小红的坐标了。这样，即使小红告诉你要见哪个坐标，你也不知道她在说什么。你们俩不能互相理解，所以你们再也找不到和小红约会的地方了。

幸运的是，有一个解决方案，你不是建立二维的，而是三维坐标系（X、Y、Z），而小红也建立了三维坐标系(X1)、Y1、Z1)。这样你和小红就可以重新理解对方的语言了。

我们的宇宙（虽然没有证据，但大多数物理学家相信）也有一个形状，而不是完全直的。这意味着，为了准确地描述它，我们至少应该建立一个四维的空间坐标系（X、Y、Z、W）。(如果宇宙有更奇怪的形状，则需要用更多的维度来描述)

我们感觉不到这个额外的维度，因为宇宙太大了，就像地球表面一样，我们认为地球是平的。

但更麻烦的是，我们宇宙中有高质量的东西。根据广义相对论，高质量的物体扭曲了周围的时间和空间。

通俗科普:解读四维时空，时间真的是第四个维度吗?

最重要的是这种扭曲是非线性的。

非线性的！

非线性，这意味着我们不可能使用坐标系（X、Y、Z）描述。(有其他形式的数学描述，但不能简单地用坐标来表示)

故事结束，洒花结束。

这意味着我们用坐标系来描述宇宙自然是不完整的。不管你用了多少组数字(X1、X2、X3……Xn），宇宙中的一个点无法完全描述。

因此，我们使用空间（X、Y、Z）描述空间只是一种方便计算的近似。

现在我们来讨论一下时间。

你约了小红在电影院门口见面。但是等了三三个小时，她没有出现。原来你忘了说见面的时间了。这时，她还在家化妆。

因为我们宇宙中的物体是运动的，为了更清楚地描述一个物体，我们仍然在空间坐标的基础上增加时间。形成一个四维的时空坐标系（X、Y、Z、T）。

小红从其他城市坐火车。你知道，她一点到哪个城市，两点到哪个城市，三点到你的城市。不同的时间T，小红空间坐标（X、Y、Z）也就不同了。

而坐在火车上有速度V的小红，也有自己的时空坐标图(X1、Y1、Z1、T1）。

当然，你也可以通过转换T来理解她说的话。

只是这个转换有点复杂，叫做洛伦兹转换，属于狭义相对论。

为什么不同坐标系之间的转换在添加时间T后变得如此复杂？

这是因为时间T和空间的三个坐标（X、Y、Z）有些不一样。

前面有人说一个点A（X、Y、Z）它到原点的距离是

位于四维时空坐标的（X、Y、Z、T）上的点呢？

根据狭义相对论，它到原点的“距离”可以认为是以下关系

是的，这是一个如此奇怪的公式。

四维时空坐标（X、Y、Z、T）它们之间的转换是如此复杂，因为四维时空是一种特殊的形状，一种属于非欧几里得几何的形状。

三维空间（X、Y、Z）将一维时间T放入坐标系中，进入非欧几里得几何的范畴。

我们高中学到的几何属于欧几里得几何，在欧几里得几何中，直角三角形三边有以下关系

但如果是非欧几里得几何，两条平行线可以相交，三角形内角可以大于180度，圆周率它可以等同于任何数字。

直角三角形三边也可以有以下关系。

这就是为什么狭义相对论如此难以理解，因为它描述的时空形状本身并不是我们在现实中所能看到的，而是大脑所能想象的。

综上所述，我们可以得出结论：四维时空坐标（X、Y、Z、T）能够近似地描述我们的世界并不完全准确。

但我们不能说牛顿力学是错误的，只能说它是不完整的，

四维时空的相对论（X、Y、Z、T）描述要更准确，

但相对论并不完整，

没有一套真正完整的理论能真正描述这个世界。