续闵可夫斯基隆重推出第一道大菜

　　下面，闵可夫斯基为我们隆重献上第一道大菜，这是一个伟大而深刻的发现，它是狭义相对论的一个气势恢宏的推论，直接把我们的视野扩展到了全宇宙，闵可夫斯基在年的一次名为《时间与空间》的演讲中向世人大声宣布了他的一个发现： 　　宇宙中的任何事件都只能影响它的将来光锥内的物体，凡是在事件的将来光锥外的物体不会受该事件的任何影响。 　　上面这句话有点长，但是请你仔细读一下，这是本章的第一个惊雷，**正在慢慢酝酿。可能你没有完全读懂，让我来画一个图示帮你理解：千万不要小看这个发现的意义，这是我们对这个宇宙规律最深刻的发现之一，这个发现告诉我们宇宙是一个“定域”的宇宙，也就是任何一个事件能影响的时空范围是有大小的，不但有大小，而且大小还是固定的一个圆锥形。注意我的用词，我说的是时空范围，并不是空间范围，所以我把时间增大光锥体积增大的情景已经一并说了。 　　那么请大家继续再往下面深想一步，既然现在发生的任何事件对将来的影响是“定域”的，那么过去曾经发生过的事情对现在的影响必然也是“定域”的，既然有了事件的将来光锥，那么同样也应该有事件的过去光锥，过去光锥代表着是过去发生的事件对现在的影响，我们画出图来： 　　事件的过去光锥刚好是把将来光锥倒过来放置，形成一个沙漏的形状，这个不难理解，打个比方就是只有8分钟前的太阳熄灭事件会影响到现在的我，2分钟前的熄灭事件不可能影响到现在的我。这下你明白国际物理年同时也是纪念相对论诞生一百周年的标志的含义了吗？

它就是一个抽象的事件光锥的全貌，喻示着物理学的过去与未来，这个事件光锥与E=MC2一样都是相对论的标志性象征，它蕴含着深深的宇宙奥义，足够你我用一生去慢慢回味。 　　闵可夫斯基的四维时空图和事件光锥的发现深深震撼了爱因斯坦。同时他们两个人心里都明白，这事肯定还没完，宇宙的奥义只是刚刚露出了冰山一角，四维时空图也只是一幅刚刚展开一点点的卷轴画，这幅卷轴画全部展开后，到底会在人类的面前呈现怎样的一幅全景图呢？闵可夫斯基和爱因斯坦都怀着深深的好奇，他们都迫不及待地想要一览卷轴中的秘密。这一年闵可夫斯基44岁，爱因斯坦29岁，他们一个沿着数学的思路，一个沿着物理的思路继续去发掘时空图中隐藏的秘密。

第二年圣诞节刚过，天气异常的寒冷，闵可夫斯基和两个不满10岁的可爱女儿亲吻道晚安，看着她们甜甜地进入梦乡，然后，他转身回到自己的书房，点亮台灯，迫不及待地开始了演算。最近他正为一些新的发现和计算结果感到兴奋不已，他觉得自己已经快要解决狭义相对论的缺憾，那就是狭义相对论不能包含非惯性系的问题。突然，他感到中腹有隐隐的疼痛，闵可夫斯基并没有特别在意，他想可能是自己吃坏了肚子，没事，挺一挺就过去了，但是很快中腹的疼痛开始向右下腹转移，而且越来越剧烈，很快就疼得他掉下了大颗大颗的汗珠，他一声惨叫，妻子闻声跑过来，看到此情景吓坏了，立即医院。但终因抢救无效，闵可夫斯基于三天后去世。科学界的一位重量级人物正值创作力最高峰的时候悄然陨落，实在让人感到万分遗憾。夺去闵可夫斯基生命的病症其实就是在今天看来毫不起眼的急性阑尾炎，切除它只是现代外科手术中最最简单的一个，医院的外科医生都会做，然而它却夺去了闵可夫斯基的生命。若不是闵可夫斯基的意外身亡，第一个完整打开卷轴看到宇宙终极图景的人很可能就不是爱因斯坦而是闵可夫斯基。

闵可夫斯基死后，他生前挚友希尔伯特（我们第五章结尾提到的希尔伯特空间的发现者）整理了闵可夫斯基的遗作，并且结集出版，而爱因斯坦在看到闵可夫斯基的遗作后深受启发，最终一个人独立完成了广义相对论。广义相对论发现了时空弯曲这个惊人的事实，然后爱因斯坦又从数学的角度推断出宇宙要么膨胀要么收缩，最后由美国人哈勃证实我们的宇宙正在快速膨胀，从而人类开始认识到宇宙是有一个开始的，很可能开始于一次恢宏的宇宙大爆炸。这些是我们在第五章最后已经了解过的内容，在这里重提此事，因为它事关时空图的终极图景，下面，就让我来为你打开卷轴，让我们一览这个宇宙的终极图像，这是以爱因斯坦为首的广义相对论学家们和天文学家们苦苦追寻了几十年的图像，这是他们日思夜想、梦寐以求的图像：

　图8-11我们的宇宙图像——果壳中的宇宙

这就是我们这个浩瀚宇宙的终极图像，宇宙的未来还未发生，我们不敢妄言他的图像。但是宇宙的过去我们已经可以看到，请你现在跟我一起闭上眼睛（开个玩笑，闭上眼睛了还怎么看我后面要你想的事情，那就闭上一只眼睛吧），让我们一同想象一下你站在星空下，朝着宇宙的任何一个方向望去，你看到的既是浩茫的空间，也是深远的时间，天上的星星发出的光芒跨越了几万几亿光年达到了地球，你看到的正是几万几亿年前的星星，我们看得越远，就是看得越早，每时每刻我们抬头看星空，看到的正是一个过去的宇宙。这个终极的宇宙图景看上去像一个什么东西呢？是不是很像一个坚果呢？比如一颗瓜子，一颗松子，一颗榛子，宇宙的过去光锥就像这个坚果的外壳，包裹着我们的宇宙万物，我们的宇宙是一个果壳中的宇宙。霍金在年完成了他的全球销量多万册的科普巨著《时间简史》后，又在年创作了他的第二部科普巨著，起名《果壳中的宇宙》，第三本是新近完成的《大设计》，这三本书的名字起得确实非同凡响，气势磅礴，内容也是层层递进，让人目不暇接。

本章的内容就像是一首古典交响乐，由平静的序曲开始，逐渐进入主题，然后达到高潮。现在本章的高潮已经来临，让我们一同来继续领略四维时空的奇景。 　　我们每个人都已经习惯了周围三维的世界，所有的物体都有长、宽、高的基本属性，我们也很容易知道二维平面的图景，一幅画就是二维的，那么一根线就是一维的，可是我们却怎么也想象不出来四维的物体长什么样，有什么特性。一个三维空间的正方体，我们很容易想象出它的样子，可是一个四维的正方体，我们称之为超正方体，或者一个超圆锥体、超圆柱体、超金字塔，你能想象出他们的样子吗？这似乎已经在开始挑战我们的想象力极限了，但是不要怕，这不有我在呢，让我帮助你一步步地把四维物体的形象建立起来，我们从研究超正方体开始这段思维之旅。 　　我们先不用急于直接把超正方体的形象想出来，让我们先来研究一下维度之间的关系，每多一个维度意味着什么？会带来哪些变化呢？ 　　让我们先从一维的世界开始。如果这个世界是一维的话，那么这个世界的生物都是一根线段，只有长度，没有高度和宽度，它们的头尾各有一个眼睛，它们可以在X轴方向左右移动，但是永远也无法超越前面的人，要与隔着的一个“人”打声招呼都是不可能的，更不要说与别的同伴见面，他们只能通过与其相邻的“人”传话过去，一维生物的交流就永远只能是报数，一个挨一个地报过去。

这个一维世界是一个狭窄的让人窒息的世界，在这个世界中自然不可能有任何形状的概念，一切都是线段，那么如果突然有一天，一根一维的线段获得了朝另外一个维度，也就是Y轴方向运动的能力，那么它的运动轨迹会变成什么呢？让我们画个图来研究一下： 　　一维线段只有2个顶点1条边，它在二维方向运动一段距离后，两个顶点就多了一倍，变成了4个，我们把两个顶点运动前后的位置用线连起来，于是我们看到轨迹就形成了一个正方形，这个正方形有4个顶点4条边。一旦从一维的世界拓展到了二维的世界，整个天地豁然开朗了岂止两倍，世界从一根只有长度没有高度的“线”突然变成了一幅画，在这个二维世界中，生物可以任意游走和穿行其间，可以跨过相邻的“同伴”直接与别的同伴见面，如果一维生物有感知的话，它们一定会被眼前的奇景所震撼，做梦也想不到居然可以有如此宽广的天地，天地之大令它们难以想象，并且这个二维世界里面的物体再也不是只有长度区别的一根线段了，可以拥有如此复杂多变的形状，形状的数量之多简直就是无穷无尽的，一个一维诗人在看到了二维世界的奇观后，带着它奇特的口音由衷的吟出这样的“诗句”：嘛叫宽广，界就叫宽广。

然后，突然有一天，一个二维的正方形获得了在另外一个维度，也就是Z轴运动的能力，那么它的运动轨迹又会变成一个什么？让我们画出图来看一下： 　　图8-14二维正方形朝第三个维度运动后形成正方体 　　我们看到，一个二维的正方形在三维方向运动一段距离后，原来的四个顶点翻了一倍，在新的位置又形成了4个顶点，于是我们还是用老方法，把顶点在运动前后的位置连起来，于是形成了8个顶点和16条边（正方形本来有4条边，运动后在新位置又有4条边，然后顶点连线再形成4条边，加起来刚好16条边）的一个正方体。这个世界从二维的画变成了三维的空间，天地开阔了岂止百倍，如果生活在画上的二维生物突然来到了这个三维世界，它再回看自己曾经生活过的二维世界的话，你觉得它会怎么想。它必定会为眼前的景象所惊呆：旧有的世界观一去不复返，原来我们以前那个世界是如此狭窄的令人窒息啊，原来我们认为的牢不可破的监狱根本无法关住犯人，一个犯人如果跟我现在一样能在第三维运动，他只要轻轻一跨，就在看守们做梦也想不到的地方越狱了；原来我们以前那个二维世界的保险箱是如此的不保险，从我现在三维的角度看过去，一切都不再是保密的，保险箱内的东西全都一览无余，轻易就可以取出来。眼前的这个三维世界实在宏大得不可思议，万物不仅仅只有形状，还有体积，无穷无尽的形体变化除了用“难以置信”去形容，实在找不出第二个恰当的词了。 　　霍金在《果壳中的宇宙》一书中风趣地说二维生物和三维生物的区别在于，二维生物想要消化食物会非常的困难，因为如果他们的嘴到**是被一根肠子联通的话，那么他们必然会被一分为二。其实别说肠子了，二维生物的血管会把他们分割成无数的小块，彼此不相连。 　　下面是重点来了，各位读者务必打起精神。

--来自汪洁《时间的形状》?

---未完待续---