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02 游览时空 Navigating Through Spacetime（第1页）

02游览时空NavigatingThroughSpacetime

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数学是一种精致而完美的语言，它可以用于描述相对论是如何适用于物理宇宙和整个时空的，而这种描述包括了在黑洞附近所发生的奇怪行为。

虽然数学的描述强大而准确，但对于那些没有经过适当的专业培训的人来说，也可能是一门令人生畏的外语。

描述性的言辞无论多么雄辩，都缺乏数学方程式的严谨和强大，并且是不精确且局限的。

然而图像（据说是）胜过千言万语，它不仅是一种有效的折中方案，也是一种非常有用的将发生的事情可视化的方法。

因此花一些精力来理解这种被称为时空图的图画是非常值得的，这将有助理解黑洞周围时空的性质。

时空图

图3展示了一个简单的时空图。

依照传统，“类时”

轴是在页面中垂直的那一根，而“类空”

轴则被画成垂直相交于它。

当然，我们实际需要四根轴来描述时空，因为有三根类空的轴（通常表示为x、y和z）和一个类时的轴。

不过两根轴就足以实现我们的意图了（而且四根相互垂直的轴也画不出来）。

这两根轴相交的地方被称为原点，可以被视为构造其时空图的观察者“此时此刻”

所在的点。

一个理想化的瞬时事件，例如按下相机快门，发生在特定的时刻和特定的空间位置。

这样的一个瞬时事件由时空图上的一个点表示，对应于所讨论的时间和空间位置。

图3中有两个点，它们在空间上是分开的（它们不发生在空间轴上的同一点），但它们又是同时的（它们在时间轴上具有相同的坐标）。

你可以想象这两个点对应于两个间隔一段距离的摄影师同时按下快门，拍摄同一个的景象。

如果点代表事件，那么时空图中的线代表什么？一条线只是显示出一个物体在时空中通过的路径。

当我们过着我们的生活时，我们穿越时空，并在身后留下路径（有点像蜗牛在它后面留下一条闪闪发光的黏液痕迹），它是时空中的一条线，有一个专业术语叫世界线。

如果你整天待在家里，你的世界线就是一个通过时空的垂直路径（例如，空间坐标=“金合欢大道22号”

）。

你在时间上向前，但是在空间中不动。

另一方面，如果你进行了一次漫长的旅行，你的世界线会因为你的距离随着时间改变而倾斜，因为你在空间和时间上都进行了移动。

图3　一个简单的时空

例如，考虑图3所示的世界线，这条线的一部分是垂直的，然后就变成了倾斜的。

这对应于某个实体的世界线，在垂直的线所对应的时间范围内，这个实体是静止的。

一个例子是一位摄影师丢在椅子上的相机（它的世界线由于位置没有变化，所以是垂直的），然后它被偷走了（当空间位置连续变化时）。