空间和时间是两个独立的实体吗?或者它们只是同一事物——时空连续体——的不同维度?如果是又有什么区别呢?这些只是我们本周讨论的一些问题，我们将深入研究时空连续体的本质。

在一个层面上，空间和时间的基本结构似乎很简单。空间有三个维度——东/西、北/南、低/高。时间只有一个维度，有一个固定的方向。在太空中，你可以向许多不同的方向移动。但时间只有一个方向。它从过去，穿过现在，流入未来，沿着一条直线。

现在，常识认为空间和时间是相互独立的，而不是合并成一个单一的连续体。它还认为两者都是绝对的。无论你从宇宙的什么地方来测量，我出生在俄亥俄州桑达斯基，是在约翰出生在内布拉斯加州林肯以东800英里的11年后，借用约翰的例子。在这方面，常识并不孤单。牛顿对事物的看法也大体相同。他认为空间是一个非常大的——实际上是无限的——独立的容器——与它所包含的物质宇宙分离和不同。在他看来，太空与太空中的事物的关系就像咖啡杯与咖啡的关系一样。如果你把咖啡从杯子里倒出来，杯子就会完好无损地留在杯子里。就像空的咖啡杯仍然有结构一样，空的空间也有结构。

按照牛顿的观点，时间也是一个容器。时间包含了整个空间流形，即空间及其所有的物质内容。空间流形作为一个单元在时间中移动。如果我们回到杯子，首先我们把咖啡放在杯子里，然后我们把杯子放在时间轴上。宇宙的进化就是咖啡的状态随着装着咖啡的杯子沿着时间轴移动而变化。

这是一张漂亮而引人注目的照片。它很符合我们对空间和时间的常识经验。但事实证明这几乎是完全错误的。牛顿的同时代和竞争对手莱布尼茨也许是第一个拒绝它的人，不是从经验和科学的角度，而是从哲学的角度。他认为这幅画比假的还要糟糕。他认为这是不连贯的。在莱布尼茨看来，牛顿的图景违反了充分理性原则。这一观点认为，对于任何存在的事物，都必须有一个充分的理由来解释它为什么是现在的样子，而不是其他的方式。

他对这一结论的众多论证之一，是让我们想象物质宇宙作为一个整体，在绝对空间中向右移动一光年，就像把客厅里的家具向右移动，同时保持布局不变。关键的问题是，既然你不能直接观察绝对空间，你就没有固定的参照系——就像你房间的墙壁和地板——来测量运动。

但由此推论，你无法分辨你是在移位的宇宙中还是在未移位的宇宙中。也就是说，绝对空间中的一个位置和另一个位置之间将没有可辨别的区别(如果这样的东西碰巧存在的话)。问题不仅在于我们无法确定宇宙在绝对空间中的位置。关键是绝对空间的概念本身就是一个空洞的概念，至少莱布尼茨是这么认为的。但我不会在这里概述这个论点的全部细节，因为它会带我们走得太远。

所以让我们把绝对空间和时间放在一边因为这是哲学上的问题。不过，我要赶紧补充一点，绝对空间在经验上的问题，最终可能没有莱布尼茨想象的那么严重。当然，相对论经常被正确地说为否定绝对空间和绝对时间。但拒绝绝对的时空仍然不能让我们完全进入时空连续体。为了达到这个目的，我们需要讨论光。光当然是宇宙中速度最快的东西。但关于光，最主要的是它以相对于所有观测者相同的速度传播。正是这最后一个性质赋予了光在时空连续体中一个非常特殊的角色。你可以把光的恒定比作尺子的硬度。你不会想要尺子的大小随着你从一个物体移动到另一个物体而变化。 A ruler, if it is to function as a ruler, has to be rigid! The constancy of light can be thought of as a form of rigidity that makes it suitable as the intrinsic measuring rod of the universe.

并不是所有在宇宙中移动的物体都有同样的特性。事实上，大多数动人的东西都不是!假设我站在足球场的争球线前。你被排在外接位置。一接到球，你就起飞，以每小时20英里的惊人速度向前场跑去。我以每小时60英里的速度扔橄榄球。我看到球以每小时60英里的速度远离我，你看到它接近，然后可能以每小时40英里的速度超过你。但是光是不同的。如果我把一束光投向场地，那么即使我站着不动，而你跑着尾巴追赶它，我们每个人都会看到光以同样的速度移动——光速。

一旦我们将光视为宇宙的测量杆，正是这种特性让我们想到了时空的概念。想象一下，你正站在一辆高速行驶的火车的中央。我站在站台上看着你走过。当我们擦肩而过时，汽车中央发出一道闪光。对你来说，汽车的前后部位于固定的距离上，与光源的距离相等。你判断光同时到达两端。但我看到火车的尾部向闪点移动而火车的前部远离它。这就是光的那些奇怪的特性——这些特性使它适合作为连续几何的测量棒——发挥作用的地方。因为对所有观察者来说，光在各个方向上的速度是相同的，所以对我来说，朝着火车尾部的光比朝着火车前部的光所覆盖的距离要短。所以你的测量尺告诉你闪光是同时发生的。 Mine tells me that they strike at different times.

请注意，我们不仅不同意同时性，我们也不同意旅行的距离。这意味着我们对汽车的长度意见不一。最关键的是，我们都是对的。这使得同时性是相对的。它也使长度相对。但有一件事不是相对的。时空连续体本身。的确，它以自己的方式绝对，就像牛顿想象的空间和时间一样。只是事实证明，时空连续体具有与牛顿(和常识)认为的空间完全不同的几何结构。

这无疑是令人难以置信的事情。但我们希望你收听并加入我们的对话，帮助我们解开空间、时间和时空的奥秘。