今天跟各位小伙伴們談?wù)勧槍ο鄬φ?，我們?yīng)該怎么入門的問題。
從愛因斯坦1905年發(fā)表狹義相對論到1915年發(fā)表廣義相對論再到今天，相對論的發(fā)展已經(jīng)有100多年了，然而這玩意到今天仍然特別難以理解，不時地會蹦出來幾個質(zhì)疑相對論的人。為了便于大家理解相對論，我們先來看一下愛因斯坦用的幾何工具，時空光錐。
對滴，您沒看錯，就是我們初中開始學(xué)習(xí)的幾何工具。這是愛因斯坦為了方便大家理解相對論找到的幾何手段，所以要想看懂相對論，就得整明白什么是四維時空，而要想整明白四維時空，就需要建立這種時空的想象力，就需要弄明白這個幾何工具究竟是個什么鬼？
（本人數(shù)學(xué)曾經(jīng)師從體育老師，曾經(jīng)就讀的初中有兩塊牌子，其中一塊是XX市田徑運動學(xué)校。數(shù)數(shù)最喜歡1、2、3、4啦。所以如果我寫得不好，各位老師千萬輕點噴啊。）
就讓咱們先從最簡單的一維空間開始吧。一維空間是指只由一條線內(nèi)的點所組成的空間，它只有長度，沒有寬度和高度，只能向兩邊無限延展。一維實際是指的是一條線，在理解上即為左-右一個方向(如：時間)。也可理解為點動成線，指沒有面積與體積的物體。這個線可以是直線或者曲線，反正是任意的線都可以。因為對于一維生物來說，它不可能知道這條線是什么樣，只有前面和后面兩個點。這個好理解不多說了。
再看看二維空間。從這里就已經(jīng)開始很麻煩了，不能認為二維空間就是一個平面，其實完全可以認為它是任意的曲面，可以是封閉的也可以是不封閉的。但不論是什么面都可以用兩個維度來確定這個面上的點。舉個例子幫助大家理解一下：大家展開我們的世界地圖，可以看到地圖上有橫縱交叉的線：經(jīng)線和緯線。地球表面上任何一點（不考慮高差）都可以用這兩條線形成的坐標(biāo)明確的表示出來。在任意平面上也是如此。大家在這里可以在腦海里多想象幾種曲面，設(shè)想一下在不同的曲面上應(yīng)該用什么樣的兩條線來標(biāo)注任意一點，鍛煉一下想象力。如果有二維生物，那么它將看到自己的伙伴是一條線可以是直線也可以是曲線或者是一個點。
三維空間。這個反而好理解了。這是因為這完全符合我們的日常生活經(jīng)驗，也最符合我們的日常生活經(jīng)驗，所以也理解得最深刻。也正是因為這個三維空間，我們理解得實在是太深刻了，我們才很難突破它的限制。咱們說的三維空間就是用長、寬、高形成的直角坐標(biāo)系。為了能在二維平面上表示三維空間我們常常使用透視法來畫出這種坐標(biāo)系。在這個空間內(nèi)，我們可以把空間任意一點在三條線上的投影對應(yīng)值（x,y,z）拿出來標(biāo)注為這個點的空間位置。這個非常好理解。
關(guān)于三維空間我想多說幾句，主要談?wù)剰奈覀內(nèi)粘Ｉ罱?jīng)驗出發(fā)的思維定式是如何阻礙我們認識時空的。
三維空間來自我們的日常生活經(jīng)驗，這三個維度都是均勻而且平直的。人很容易把這種想法擴展到整個宇宙，認為宇宙也是均勻平直的，這正是我們理解宇宙的最大障礙。這種生活經(jīng)驗實在是太頑固了，以至于我們很難突破我們的經(jīng)驗限制去觸摸真正的宇宙。
來看看我們這種經(jīng)驗是如何獲得的（討論這個很有必要，因為這涉及到科學(xué)家為啥最后承認了相對論是正確的）。我們?nèi)祟愓J識世界主要靠各種感覺器官，視覺、聽覺、味覺、嗅覺、觸覺等。然而我們這些感覺器官的認知能力其實很有限。比如視覺能看見的光譜只是電磁波中很窄的那點，能聽到的聲音范圍也很小，嗅覺味覺跟很多動物比都有不如。同時，我們被困在一個低速的世界里（相對于光速來說的），這就極大的限制了我們形成感知以外的經(jīng)驗的能力。我們所有的經(jīng)驗都是在低速情況下，依靠有限的經(jīng)驗的感知能力得到的。
新的技術(shù)產(chǎn)品是我們感知能力的拓展。光學(xué)望遠鏡、射電望遠鏡是我們?nèi)祟愌劬Φ耐卣?，各種測試儀器的出現(xiàn)是我們?nèi)祟惼渌杏X器官的拓展，各種粒子加速器是代替我們?nèi)祟悓崿F(xiàn)高速運動感覺的拓展。所以，科學(xué)成果的總結(jié)，新理論的提出，都是基于這些人類自身能力拓展后，重新觀察宇宙獲得的新經(jīng)驗的總結(jié)，并不是憑空想象出來的。如果我們有新的經(jīng)驗出現(xiàn)，必然就會出現(xiàn)新的理解。由于新的手段需要的成本越來越高，所以能接觸到這些儀器的人只能是越來越少。這導(dǎo)致，進行新經(jīng)驗積累的人越來越少了，從事科學(xué)研究的人自然也越來越少了，科學(xué)變成了少數(shù)人才能參與的奢侈品。這也是為什么說科學(xué)發(fā)展到今天，民間很難再出現(xiàn)大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)的原因之一。
相對論能逐漸被科學(xué)家們所接受，正是因為隨著我們探索宇宙的能力的增加，更多的觀測結(jié)果跟相對論的計算結(jié)果吻合，相對論的各種預(yù)測，被新的儀器觀察到。
如果想推翻相對論說來也簡單，發(fā)明新的儀器，觀察到跟相對論不符合的結(jié)果就可以了。不過，短時間內(nèi)還看不到這種希望。
現(xiàn)在開始切入正題，也是本文最難理解的部分：四維時空。
現(xiàn)在我們要在一個二維的平面上畫出一個四維的時空。誒嘛，這太難了。因為想用透視法在平面上建立三維直角坐標(biāo)系已經(jīng)很難了。
怎么辦呢？我們先用一維空間（先不考慮空間的另外兩個維度）加一維時間形成的二維直角坐標(biāo)系來畫這個圖。如果參考我們在平面上畫三維坐標(biāo)系的投影法的話，還可以增加一個空間維度形成一個二維空間加時間的三維坐標(biāo)系。同理可以想象一下，有一個三維坐標(biāo)系再加一個時間軸形成一個新的四維坐標(biāo)系，這種小編已經(jīng)畫不出來了，小伙伴們，你行你來啊。
咳咳，注意力集中點！現(xiàn)在重點開始啦！
如果有一個光脈沖從這個坐標(biāo)系的任意一點發(fā)出，由于光在任何一個維度里面速度都相等（真空中光速不依賴參照系相等不是猜想，是我們基于觀測得到的事實，是我們應(yīng)該具備的新的經(jīng)驗），所以這個光脈沖就會在三維空間進程里散開形成一個光球。這個光球的形狀和大小跟這個光脈沖出發(fā)點的速度無關(guān)。
喘口氣，大家好好消化一下上面這段文字。
現(xiàn)在，讓我們退回來，還是以我們能畫出來的三個維度的坐標(biāo)系去理解吧。我們?nèi)サ粢粋€空間維度，讓兩個空間維度加一個時間維度在平面上，用透視法畫出來一個坐標(biāo)系。
還是在這個坐標(biāo)系里任意位置放入一個光脈沖事件，那么這個光脈沖事件不論光源速度是多少都會在兩個空間維度上以光速散開形成一個圓圈，這個圓圈隨著時間前進越來越大。這些圓圈在由兩個空間維度加一個時間維度組成的坐標(biāo)系里就形成一個以這個事件出發(fā)位置為頂點的圓錐。這個頂點我們稱為現(xiàn)在，這個圓錐我們稱為事件的將來光錐。
深吸一口氣。
現(xiàn)在我們用同樣的方法，沿著時間的反方向同樣畫出一個圓錐，這個圓錐我們稱作過去光錐。這個光錐表示所有可以用一個光脈沖傳播到這個事件的事件的集合。
現(xiàn)在這個由二維空間坐標(biāo)加一維時間坐標(biāo)形成的坐標(biāo)系里畫出來的象沙漏一樣的東西。上半部分我們稱為將來；頂點稱為現(xiàn)在；下半部分我們稱為過去。沙漏之外，我們稱之為他處。
好累，我們今天就介紹到這里，大家先依靠想象力建立這個光錐模型，我將在下一篇文章里跟大家說說這個光錐都說明了一些啥玩意。
我是郭哥論道，一個致力于科普相對論、量子力學(xué)、計算機、數(shù)學(xué)，讓高深的科學(xué)理論通俗易懂起來，讓科學(xué)更有趣的自媒體。
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