“四维时空”是什么概念
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发布时间：2022-04-25 10:05
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时间：2022-05-21 18:54
四维时空不仅限于此，由质能关系知，质量和能量实际是一回事，质量（或能量）并不是独立的，而是与运动状态相关的，比如速度越大，质量越大。在四维时空里，质量（或能量）实际是四维动量的第四维分量，动量是描述物质运动的量，因此质量与运动状态有关就是理所当然的了。在四维时空里，动量和能量实现了统一，称为能量动量四矢。另外在四维时空里还定义了四维速度，四维加速度，四维力，电磁场方程组的四维形式等。值得一提的是，电磁场方程组的四维形式更加完美，完全统一了电和磁，电场和磁场用一个统一的电磁场张量来描述。四维时空的物理定律比三维定律要完美的多，这说明我们的世界的确是四维的。可以说至少它比牛顿力学要完美的多。至少由它的完美性，我们不能对它妄加怀疑。
参考资料：http://zhidao.baidu.com/question/2539787.html
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时间：2022-05-21 20:12
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时间：2022-05-21 21:46
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时间：2022-05-21 23:38
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时间：2022-05-22 01:46
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时间：2022-05-22 04:10
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时间：2022-05-22 07:08
宽
高
时间
四维空间是一个时空的概念。简单来说，任何具有四维的空间都可以被称为“四维空间”。不过，日常生活所提及的“四维空间”，大多数都是指爱因斯坦在他的《广义相对论》和《狭义相对论》中提及的“四维时空”概念。根据爱因斯坦的概念，我们的宇宙是由时间和空间构成。时空的关系，是在空间的架构上比普通三维空间的长、宽、高三条轴外又加了一条时间轴，而这条时间的轴是一条虚数值的轴。
根据爱因斯坦相对论所说：我们生活中所面对的三维空间加上时间构成所谓四维空间。由于我们在地球上所感觉到的时间很慢，所以不会明显的感觉到四维空间的存在，但一旦登上宇宙飞船或到达宇宙之中，使本身所在参照系的速度开始变快或开始接近光速时，我们能对比的找到时间的变化。如果你在时速接近光速的飞船里航行，你的生命会比在地球上的人要长很多。这里有一种势场所在，物质的能量会随着速度的改变而改变。所以时间的变化及对比是以物质的速度为参照系的。这就是时间为什么是四维空间的要素之一。
解析四维空间
什么是四维？现在的说法是三维空间加上时间这一维，构成所谓的四维空间。然而，这种说法是一击即破的。为什么？
我们可以从二维来考虑。一个二维生物（如果有的话），他们考虑所谓的三维空间绝对和我们的三维空间不同——他们会把时间作为第三维，因为他们无法感受这一维的存在。同样，我们现在也走进了这个误区，把时间算做第三维。可能四维生物看到我们在宣扬这种思想时，也在为我们叹息。那么时间算不算一维？在我看来，时间应该是一维，即在*生物本身的维度之外再加一维，构成新的N+1维空间，而且这样也有助于帮我们解决一些问题，也可以使我们对比三维维度更高的空间加深认识。
有一个更新的构想，即所有的维度都是由时间构成，没有时间，就没有空间，包括最基本的一维空间。这应该好理解，因为没有时间，空间本身的存在就没有任何意义，因为时空本身就是不能分割的整体。那么，为什么一种时间可以形成不同的维度空间？这里，我们可以把时间看成是一种可以分解的常量。时间可以分解，这一句话理解起来可能有点困难。但是，只要想通了道理也是很简单的。要明白这个道理，首先必须了解两点。第一是时空的不可分性，这一点估计大家都明白，离开了空间谈时间，或者离开了时间谈空间，都是毫无意义的。第二点是时间的多样性，这一点了解起来可能有一点麻烦。在日常生活中，我们接触到的都是时间的合成体，也就是各个分时间有机结合形成的一个总的时间体系。可能你们会觉得我是在狡辩，其实不是。只要你们换一个角度去想，一个结果，可能是几个不同的原因形成的。就拿运动来说，我们观察到的一般都是几个不同运动产生的一种运动的结合体，即合运动。关于时间，我们也可以这样去想。我们看到的时间结合体，可以是由物体运动的时间，历史时间（即经历时间）和其他的一些时间构成。而运动时间，我们又可以看成由上下运动的时间，左右运动的时间和前后运动的时间。当然，划分方法是多样的，这就构成了时间的多样性，至于如何去划分，这就要由不同的情况而定。一部分时间对应一段空间。在这个不完整的空间里，时间起到了决定性的作用。
我们之所以是三维生物，是以为这个维度的空间里只存在三维的时间。时间的不完整决定了空间的不完整。我们不能认识其他维度的空间，是因为我们不具备在那个空间里面运动的时间。时间的多样性决定的空间的多样性。同时，因为时间的不同分解方式，注定了我们的三维空间也是相对的，它可以被命名为一维，二维，甚至是任意维——完全取决于不同的分解方式。时间是决定维度的关键，同时，它也是决定低维物体高维存在方式的关键。
让我们看看科学上的说法：低维是空间上读缺陷，它们不具备在高维世界内运动的空间。关于这一点，有一个疑问，那就是我们怎么可以发现这个缺陷。我们认为的低维不存在某一个空间长度，是因为我们无法确定它有那一个长度，也就是我们现在用最好的设备也无法观察到那一个长度差。那么，将来呢？我们现在无法认证，可能将来会有人证明那个低维物体确实属于高维。因此，低维与高维并不存在所谓的空间差。那么，我们如何区别高维与低维？很简单，用时间。用时间去解释任何一个纬度空间，我们也可以认为，低维之所以比高维低级，是因为它们存在时间上的缺陷，它们无法在时间范畴内感受高维的存在。所以，我们要去了解低维或者高维，先要知道它们存在的时间范围。高维与低维之间可以实现转化，道理是很简单的，只要加入或者去掉一个时间单位就可以了。然而说起来很容易，做起来却很复杂，我们对时间的概念都是如此模糊，要想在空间范围类实现时间的转化就更困难。
对四维空间，一般人可能只是认为在长、宽、高的轴上，再加上一根时间轴，但对于其具体情况，大部分的人仍知之甚少。有一位专家曾打过一个比方：让我们先假设一些生活在二维空间的扁片人，他们只有平面概念。假如要将一个二维扁片人关起来，只消用线在他四周画一个圈即可，这样一来，在二维空间的范围内，他无论如何也走不出这个圈。现在我们这些生活在三维空间的人对其进行“干涉”。我们只需从第三个方向（即从表示高度的那跟轴的方向），将二维人从圈中取出，再放回二维空间的其他地方即可。对我们这些三维人而言，四维空间的情况就与上述解释十分类似。如果我们能克服四维空间，那么，在瞬间跨越三维空间的距离也不是不可能。
物理世界的四维空间
在数学上有各种*空间，但目前为止，我们认识的物理世界只是四维，即三维空间加一维时间。现代微观物理学提到的高维空间是另一层意思，只有数学意义。
四维时空是构成真实世界的最低维度，我们的世界恰好是四维，至于高维真实空间，至少现在我们还无法感知。我在一个帖子上说过一个例子，一把尺子在三维空间里（不含时间）转动，其长度不变，但旋转它时，它的各坐标值均发生了变化，且坐标之间是有联系的。四维时空的意义就是时间是第四维坐标，它与空间坐标是有联系的，也就是说时空是统一的，不可分割的整体，它们是一种”此消彼长”的关系。
四维时空不仅限于此，由质能关系知，质量和能量实际是一回事，质量（或能量）并不是独立的，而是与运动状态相关的，比如速度越大，质量越大。在四维时空里，质量（或能量）实际是四维动量的第四维分量，动量是描述物质运动的量，因此质量与运动状态有关就是理所当然的了。在四维时空里，动量和能量实现了统一，称为能量动量四矢。另外在四维时空里还定义了四维速度，四维加速度，四维力，电磁场方程组的四维形式等。值得一提的是，电磁场方程组的四维形式更加完美，完全统一了电和磁，电场和磁场用一个统一的电磁场张量来描述。四维时空的物理定律比三维定律要完美的多，这说明我们的世界的确是四维的。可以说至少它比牛顿力学要完美的多。至少由它的完美性，我们不能对它妄加怀疑。
在狭义相对论中，时间与空间构成了一个不可分割的整体——四维时空，能量与动量也构成了一个不可分割的整体——四维动量。这说明自然界一些看似毫不相干的量之间可能存在深刻的联系。在今后论及广义相对论时我们还会看到，时空与能量动量四矢之间也存在着深刻的联系。
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时间：2022-05-22 10:23
所谓的参考系是指具有一定均匀时空性质的物质系。
即在参考系中可对应于此一定均匀时空性质建立时空坐标系。时空坐标系包括相互垂直的时间坐标系与空间坐标系。
1 空间坐标系
在参考系中可建立三维正交空间坐标轴X、Y、Z构成的空间坐标系，如图2—1所示：
在加速场中的物质系，相对于空间坐标系产生空间位置变化量可称为位移，位移为矢量，由原点O为起始点的位移K在正交空间坐标轴X、Y、Z上的分量分别以KX，KY，KZ，表示：
KX = K cosα
Ky = K cosβ (2—1)
Kz = K cosγ
式中α、β、γ分别为位移K与空间轴X、Y、Z正方向所成空间方位角。
令i、j、k分别为沿X、Y、Z轴正方向的单位矢量，则可将位移K表示为：
K = Kx i + Ky j + Kz k (2—2)
位移K的大小可表示为：
K = |K| = （2—3）
位移K与X、Y、Z各轴间夹角α、β、γ的余弦值可分别表示为：
cosα=cos∠KOAcos∠AOX
= = Kx / K
cosβ = cos∠KOA · cos∠AOY (2—4)
= K y／K
cosγ = cos∠KOC· cos∠COZ
= K Z / K
2 时空坐标系
同理在某一参考系中可建立四维正交时空坐标轴T、X、Y、Z构成的时空坐标系。
(1) 时空单位
可令h、i、j、k分别为沿T、X、Y、Z轴正时空方向的单位矢量。
在此所建立的一维时间坐标轴T，与空间坐标系相互垂直，虽然在空间坐标系中体现不出时间单位矢量h的方向，但在时空坐标系中却可体现出时间单位矢量h的方向，与空间单位矢量i、j、k均相互垂直。
在国际单位制中，时间坐标单位与空间坐标单位分别为秒（s） 、 米（m）
在时空坐标系中，时间坐标单位与空间坐标单位可统一为相同单位。
设光波沿空间X轴方向传播。依据光速不变原理，在场强为零的均匀加速场中传播的光速恒为C，则可表示其在空间X轴方向传播的空间距离与在时间T轴方向流逝的时间间隔是相同的。如图2—2所示：
可以理解：光速C即为时间坐标单位与空间坐标单位之间的变换当量，可称为时空单位当量：
C = ΔX / ΔT (2—5)
若采用SI制时
C = 3 × 108 m / s
若采用统一时空单位时
C = tanθ= | i / h | = 1 (2—6)
此时光波时空曲线OP与时间轴T或与空间轴X所成时空角均为π/ 4：
θ = π / 4
φ = π / 4
(2) 时空移
在加速场中的检验物质系，相对于时空坐标系产生的时空坐标变化量，可称为时空移S , 时空移为时空矢量。
时空移S在时间坐标轴T方向与在空间坐标系中位移K方向构成的二维时空坐标系中可分解为时间分量S t与空间分量S k ，如图2—3所示：
在此，时间分量S t、空间分量Sk分别为：
S t = t = S cosθ
S k = k = S cosφ (2—7)
式中θ、φ分别为时空移S与时间轴T、空间坐标轴K所成的时空角。
时空移S在空间坐标系中可分解为空间分量Sk ，空间分量Sk在空间坐标系中为空间矢量，即位移矢量K，位移K又可在空间坐标轴X、Y、Z中分解为空间坐标分量Kx、Ky、Kz ，如图2—1所示。
时空移S在时间坐标轴T中可分解为时间分量S t，时间分量S t在时空坐标系中与时间单位矢量h具有相同时空方向，即可称为时间矢量，但在描述物质系空间运动时，作为坐标时间t体现不出空间方向，故通常在空间运动中将时间分量t称为标量。
时空移S可表示为：
S = S t + S k
S = S t h + Kx i + Ky j + Kz k (2—8)
时空移S与T、X、Y、Z各轴间夹角的余弦值可分别表示为：
cosθ= S t / S
cos φx = Kx / S
cos φy = Ky / S (2—9)
cos φz = Kz / S
其中： S = 为时空移S的绝对值。
二 固有时空与坐标时空
表示加速场的时空性质，可建立两种不同意义的时空概念：第一、固有时空，是反映加速场具有固有性质的时空；第二、坐标时空，是在某参系中用所建立的时空坐标系的时空标度表示的时空。
通常所指的时空即为坐标时空，是用以度量固有时空的坐标时空。
加速场的固有时空是固有的，但却具有相对性，相对于不同参考系度量加速场的固有时空可具有不同的坐标时空。
1 相对于加速场系的固有时空
相对于加速场系，加速场的固有时空与坐标时空是一致的。
在所建立的二维时空坐标系OTX中，如图2-4所示，可以看到表示加速场固有时空性质的各条时间曲线均与时间轴T相平行，与空间轴X相垂直的一系列分布均匀的直线。
并且各条等时线均与时间轴T垂直、与空间轴X相平行的一系列分布均匀的直线。
在三维时空坐标系OTXY中，各个等时面均为分布均匀的平面。
在四维时空坐标系OTXYZ中，各个等时体均为时空性质均匀（无数个分布均匀的等时平面构成）的空间。
2 相对于物质参考系的固有时空
相对于物质参考系（如地球惯性系），用所建立的时空坐标系度量各物质系之间的加速场，其固有时空并不是完全均匀的。
当时间曲线在时空坐标系中并非是一系列直线，在各时空点处与时间轴T可不相平行，与空间轴X可不相垂直（与Y轴、Z轴均相垂直）。
在二维时空坐标系OTX中，如图2-5中所示，可示意性画出表示具有非均匀固有时空性质的时空曲线。
可以见到：表示固有时空性质的时间曲线虽然相对于加速场系与时间轴Tj相平行，与空间轴Xj相垂直，且呈直线。但相对于物质参考系，与时间轴T却可不相平行，与空间轴X却可不相垂直，且可呈曲线。
可以见到；在二维时空坐标系OTX中，各等时线可为非均匀的曲线，表示固有时空性质的等时线上的各时空点虽然相对于加速场系是等时的，但相对于物质参考系却可是不等时的。
在图2-5中二维时空坐标系OTX中，在任意时空点处均可各自建立局部加速场系的时空坐标系，使其时间轴与时间曲线相切，使其空间轴与等时线相切，如在P、Q等各时空点处可各自建立时空坐标系PTрXр、QTqXq。
在三维时空坐标系OTXY中，非均匀固有时空性质的各等时面均可由曲面来表示。
在四维时空坐标系OTXYZ中，非均匀固有时空性质的各等时体均可由弯曲空间来表示。
3 相对于加速场系的光速
依据光速不变原理，相对加速场系光波沿等时线方向传播的空间距离与沿时间曲线方向流逝的时间间隔之比为恒定的光速C。
如图2-5所示，在OPQ方向传播的光波，在经O、P、Q各时空点处分别相对于各时空坐标系OToXo、PTpXp、QTqXq的光速均为恒定值C：
Co = Cp = Cq =C= tanπ/4 （2—10）
4 相对于物质参考系的光速
相对于物质参考系时，如图2-5所示，在时空坐标系OTX中传播的光波于两时空点P、Q处的光速分别为：
C p = tan (π / 4 + θp)
C q = tan (π / 4 + θq) （2—11）
在时空点P处的时间曲线与时间轴T成时空角为θp，在时空点Q处的时间曲线 与时间轴T 成时空角为θq。 即在两时空点处不同的光速C q > C p对应于两时空点处不同的时空角θq > θp。
