时间和空间看似相似，但在时空中，它们有着根本的区别。

时间是个维度，但它并不像空间那样。时空的结构是四维的，其中有三个空间维度和一个时间维度。但时间和空间是不同的！

根据爱因斯坦的相对论，时间和空间不是所有观察者都认同的绝对量，而是根据时空的弯曲和观察者的运动相对变化的。即便在广义相对论中，三个空间维度和一个时间维度是交织在一起的，但分解后，空间和时间的行为会显示出显著差异。虽然它们背后的数学原理简单明了，但时间和空间还是有着根本性的不同。是的，时间是一个维度，但它并不像其他维度。

大多数人能直观地理解空间的维度概念。你可以在三个方向——上下、左右、前后——自由移动。因此，当问到两点之间的最短路径时，我们通常会给出直线这个答案。这也就是阿基米德两千多年前给出的答案。如果你在一张平坦的纸上随意画出两点，你可以用任何线、曲线或几何路径将这两点连接起来。只要纸保持平坦、不弯曲或弯折，连接这两点的直线就是最短路径。

这一直观答案很好地描述了宇宙中三个空间维度的工作原理：在平坦空间中，两点之间的最短距离是直线。这和如何旋转、定位或放置那两点都无关。然而，我们的宇宙不只有三个熟悉的空间维度，而是有四个时空维度。于是，我们常说：“三维是空间，一维是时间，这就是时空。”这当然是对的，但却并非全貌。实际上，两次时空事件之间的最短距离并非直线，而且时间是一个与空间根本不同的维度。

理解了平坦空间中两点之间的最短距离是直线后，我们可以将时间作为维度引入其中。你可能认为时间就是另一个维度，像空间维度那样适用相同的规则。但实际上，时间作为维度，与空间存在两大根本区别。首先，时间和空间是不同的量度，一个是距离，一个是时间。我们不能直接将它们等同起来，需要通过光速将两者联系起来。光速是将空间与时间相联系的基本常数，像光子、胶子和引力波等无静止质量的粒子都以这个速度穿越宇宙。

更重要的区别在于，所有宇宙中的观察者和物体都同时在空间和时间中运动。即使你认为自己静止不动，没有在空间中移动，你实际上仍在时间中前进。这就是为什么我们感受到时间以每秒一秒的速度流逝。

关键在于：你在空间中的运动越快，时间的流逝就越慢。这种现象并不存在于其他维度，空间维度之间是独立的，但时间和空间的关系却紧密相关。这也是为什么在接近光速时会出现时间膨胀和长度收缩的现象，它们是爱因斯坦相对论中的核心内容。

无论谁在观察，也无论他们的运动速度有多快，时空间隔始终是一个不变的量。在二维平面上的直线距离公式，可以简单地推广到三维空间。通过将空间的三个维度——x、y、z 进行代入，我们同样可以求出两个点之间的最短距离。但是，当我们尝试将时间作为第四个维度引入时，事情就变得复杂了。时间并不是像空间那样的普通维度，它与空间维度存在着本质上的不同。最明显的一个区别是，时间的单位(秒、年等)与空间的单位(米、英尺等)不一样。因此，在统一的框架下讨论它们，需要引入光速作为转换因子。

爱因斯坦的相对论告诉我们，光速是恒定的，不论观察者的运动状态如何。因此，我们可以用光速来将时间转换为与空间等价的度量单位。比如“光年”或“光秒”，就是用光在一段时间内经过的距离来表示时间的长度。

更有趣的是，时间的另一个独特之处是它与空间的运动互相关联。爱因斯坦发现，一个物体在空间中的运动速度越快，它通过时间的速度就会变慢。这也就是所谓的时间膨胀现象：当物体接近光速时，时间似乎变得更慢。这与空间维度的独立性不同，空间的三个维度(x、y、z)之间并没有这种互相影响的关系。

基于这些发现，我们可以得出一个新的四维“时空间隔”公式，它不仅包括空间的三个维度，还需要考虑时间的维度。这个公式是：d = √(x² + y² + z² – c²t²)。在这个公式中，时间项带有负号，且与光速相关联，这反映了时间与空间的不同性质。

最后，虽然爱因斯坦在早期数学能力上并不出众，但他依然凭借直觉和物理洞察力发现了这些深刻的真理。无论我们如何改变观察者的位置或速度，时空间隔这一物理量始终是不变的，它成为了相对论的核心之一。

本文译自 Big Think，由 BALI 编辑发布。

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