爱因斯坦彻底改变了何处与何时的含义。

在爱因斯坦的宇宙观中，空间与时间本身都是相对的。这意味着，我们在日常经验中所依赖的何处与何时的概念，在宇宙尺度上已不再适用。

就像面团发酵时，面团各部分会彼此膨胀远离一样，宇宙尺度上的时空结构也在膨胀，推动星系、星系群和星系团等结构相互远离；此时必须全面考虑相对论效应，才能准确理解它们之间的距离与光传播时间。然而，在这些各自引力束缚的结构内部，时空膨胀效应并不发生。

若想了解某物距离我们有多远，只需测量其距离即可；若想确定某事件发生的时间，只需借助计时手段。这看似简单，对吧？然而，这种明确的距离与时间概念仅在牛顿力学所描述的宇宙中才成立。自爱因斯坦提出相对论以来，人们已认识到，距离与时间本质上是相对的，尤其在宇宙尺度上更是如此。正因如此，一旦将空间、时间、运动以及狭义与广义相对论纳入考量，问题便变得复杂得多。我们依然可以理解何处与何时的含义，但需要更深入地思考。

在地球上，确定任何事物的位置或事件发生或即将发生的时间似乎都很简单直接。毕竟，我们已经完成了对地球表面的全面测绘，无论身处世界何地，都可以用三个坐标——纬度、经度以及海拔（或深度）——来精确定位。此外，我们已将地球上的所有计时方式与原子钟同步，使得全球各地的人们都能准确获知任何事件发生、即将发生或曾经发生的时间与地点。

但这依赖于一个我们大多数人从未细想就默认接受的基本假设：你从地球上的某个位置所观察到的此时此地，与地球上任何其他位置的人所观察到的此时此地是相同的。然而，这种观念早已被证明是错误的。我们现在知道，就连何时和何地这样的概念也受爱因斯坦相对论的支配；在相对论中，空间和时间并非绝对量，而是相对于每一位独特的观察者而言的。

我们仍可沿用传统的牛顿式位置与时间概念来处理大多数日常问题，但当涉及现代科学所需的极高精度，或观测宇宙中遥远且处于膨胀空间中的天体时，则必须采用爱因斯坦所提出的相对论理论。以下是具体做法。

一种广为人知的估算雷电与观察者之间距离的方法是：在看到闪电闪光后，开始计数直至听到雷声首次传来，所经历的秒数即为参考依据。通常，每3秒的延迟约对应1公里（约0.6英里）的距离——这源于光速与声速之间巨大的差异。

这看似是事后才明白的道理，但当你在地球上观测某个事件时，你所看到的并非该方向上此刻正在发生的实际情形，而是信号——无论其性质如何——抵达你的眼睛（或你所使用的任何观测器官或仪器）的这一刻，该信号被发出时的情形。

请考虑上述图片

闪电产生的光似乎首先到达，这一信号呈现在你的眼中；而同一事件产生的雷声则稍后才抵达，光与声音之间的时间差会随着闪电发生地距离的增加而变大。

闪电击中事件确实是一个我们的视觉和听觉能够感知的物理事件。

当在原本静止的水体中产生扰动时，例如将一块石头投入水中，这种扰动便会以特定速度向外传播，该速度由扰动本身的性质以及介质的特性共同决定。无论是水波、声波、光波还是引力波，所有波动均以有限速度传播。

你先看到闪电、随后才听到雷声，并不是因为闪电先产生、雷声后产生，而是因为——当你与放电事件相距较远但距离有限时，光信号和声音信号都需要穿越这段空间才能到达你所在的位置。然而，任何物理信号从源头传播到观察者处都不是瞬时完成的；所有信号都以有限的速度传播，其中最快的速度是真空中的光速，即c，约为299,792,458米每秒。

这意味着，即使你距离闪电发生的位置相对较近，例如仅一公里（0.62英里）远，你也不会在闪电发生的瞬间看到它。相反，你只能在光信号从闪电发生处传播到你所在位置之后才能观察到它：即从光源传播至观测者。光在空气中的传播速度略低于真空中的光速（约慢0.03%），因此该信号抵达你处所需的时间约为3.3微秒。

然而，声音在空气中的传播速度则要低得多：约为343米每秒，即约760英里每小时。这是因为声音是一种物理压力波，通过空气的压缩与稀疏来传播。与3.3微秒相比，声音从1公里外发生的事件传播到你的耳朵附近需要将近3秒钟。

光本质上是一种电磁波，其电场与磁场相互垂直，并且同相振荡，二者均垂直于光的传播方向。波长越短，单个光子的能量越高，但在介质中传播时，其速度受介质影响的程度也越大。

这一点很重要，原因有很多，但或许最重要的是：任何物理信号都只能以有限的速度传播，而你作为观察者，只有在信号到达你这里时，才能获取到产生该信号的事件的信息。这意味着，即使是以光速——所有信号中最快的速度——传播，你也只能看到宇宙中事物在信号发出时的状态，而不是它对你而言此刻的状态。

从山顶眺望30公里（18.6英里）外的城市，你所看到的是它100微秒前的样子。仰望夜空中月亮，你所看到的是它约1.3秒前的样子；这意味着，若月球表面刚刚发生了一次小行星撞击，而该事件发生在过去1.3秒内，你尚未观测到，尽管它实际上已经发生。从地球观测太阳，你所看到的是它约8分20秒前的样子；这意味着，若太阳表面发生了耀斑或空间天气事件，相关信号需经过这段传播时间才能抵达你的探测设备，你在此之后才能探测到。

我们可以借助对地球、太阳系以及光速的认知，为每个事物确定一个何时与何地，前提是始终考虑相对论效应及信号传播的特性。正因如此，在物理学中，我们并不笼统地认为所有存在的事物都可被我们观测到；相反，我们引入了光锥的概念：只有位于该光锥内部（包括过去与未来方向）的事件，其信号才可能被探测到；而位于光锥外部的事件，其信号则无法被探测——至少在当前尚不可行。

光锥的一个示例，即从时空中某一点出发和到达该点的所有可能光线所构成的三维曲面。你在空间中移动得越多，在时间中移动得就越少，反之亦然。只有位于你过去光锥内的事件才可能影响你当前的状态；只有位于你未来光锥内的事件才可能在未来被你观测到。这展示的是平直的闵可夫斯基时空，而非广义相对论中的弯曲时空。来源：MissMJWikimediaCommons

此时此刻，我们所处的当下，即我们感知中的现在，实际上仅限于我们自身所处的此地此刻。事实并非仅仅是我们无法察觉周围正在发生的全部事情，而是我们只能直接感知到发生在我们所在位置的此时此刻；对于其他一切事物，我们所看到的都是它们过去的状态。

对于距离1千米的物体，我们看到的是它们3.3微秒前的状态。对于距离100千米的物体，我们看到的是它们100微秒前的状态。对于距离30万千米的物体，我们看到的是它们1秒前的状态。对于距离1.08亿千米的物体，我们看到的是它们1小时前的状态。对于距离26亿千米的物体，我们看到的是它们1天前的状态。对于距离9.46万亿千米的物体，我们看到的是它们1年前的状态。

那个最终数值，9.46万亿千米，对应1光年的距离，即光在真空中以每秒299792458米的速度传播一年所经过的距离。

然而，我们刚刚所讨论的内容应当让你在思考诸如太阳以外最近的恒星有多远？这样的问题时稍作停顿。这颗恒星并无争议：它就是比邻星，距离约为4.24光年。

在21世纪初，我们已基本完成了对太阳系邻近区域内恒星的三维空间测绘。距离我们最近的恒星，并不总是肉眼可见的那些，因为是否可见取决于恒星的距离与自身光度的共同作用；但除太阳外，所有恒星都远比太阳系内的天体遥远得多。半人马座α比邻星系统是一个三合星系统，目前包含距离太阳最近的三颗恒星；巴纳德星是距离太阳第四近的恒星，也是距离太阳最近的单星系统。来源：安德鲁Z科尔文

然而，目前尚存争议的是：比邻星当前确切的距离是多少？我们此刻所见的比邻星，究竟对应它过去哪个时刻的真实状态？我们所知的是，来自比邻星的光穿越了分隔其恒星系统与太阳系之间的星际空间，最终抵达地球。然而，由于：

太阳围绕银河系运动，比邻星围绕银河系运动，而这两颗恒星——如同任意两颗恒星一样——彼此之间也存在相对运动。

这意味着两者之间的距离将随时间而变化。在光信号穿越该星际距离所需的时间（即约4.24年）内，太阳系与比邻星之间的距离已发生改变。

如果比邻星朝向我们运动，那么它与我们的距离将逐渐缩短，这意味着我们当前所观测到的光（该光是在约4.24年前发出的）所对应的距离，仅在一定程度上准确——其准确性受限于比邻星在该光传播期间朝向我们靠近的距离。同理，一颗正在远离我们的邻近恒星（例如沃尔夫359），其与我们的距离会在光从该恒星传播至地球所需的约7.86年时间里持续增大。当天体在空间中相对于我们运动时，我们所看到的只是该天体在发出此刻接收到的信号时所处的位置，而非其当前实际所在的位置。

尽管半人马座α星系和半人马座比邻星系目前是距离地球最近的恒星系统，但它们过去并非如此，将来在某些时段也不会保持这一位置。事实上，若等待更长的时间，将有其他恒星经过地球附近，其距离甚至会远小于半人马座α星与比邻星当前或未来所能达到的最近距离。这是因为所有恒星均围绕银河系中心及太阳进行三维空间运动，其相对于太阳的运动速度决定了它们与地球之间的距离随时间推移而不断变化——时而靠近，时而远离。

当然，这是我们所有人已在潜意识中掌握的能力。当你参与需要向队友传球、踢球或投球的团队运动时——例如足球、篮球、棒球等——你并不会将球瞄准队友当前所在的位置，而是瞄准队友在球抵达时将会到达的位置：你需要预判队友的移动方向与速度，同时综合考虑球从你所在位置飞抵目标位置所需的时间，以及队友从当前位置移动到预判位置所需的时间。

这种情况适用于各种信号，其中包括两种非常重要的信号：光（电磁）信号和引力波信号。与光类似，引力波信号也以光速c（即299792458米秒）传播，因为引力的传播速度与光速严格相等。由于LIGO汉福德、LIGO利文斯顿、Virgo和KAGRA等引力波探测器均位于地球不同位置，同一引力波信号到达各探测器的时间存在微小差异。准确理解这些信号，并借助爱因斯坦的相对论精确计算信号在不同地点的到达时间差，是精确定位引力波源方位的关键。

一张全球地图，展示了构成事件视界望远镜（EHT）网络的射电望远镜，该网络用于对银河系中心黑洞——人马座A进行成像。图中以黄色标出的望远镜属于EHT网络，在对人马座A开展观测期间参与了联合观测。这些望远镜包括：阿塔卡马大型毫米亚毫米波阵列（ALMA）、阿塔卡马探路者实验望远镜（APEX）、IRAM30米望远镜、詹姆斯克拉克麦克斯韦望远镜（JCMT）、大型毫米波望远镜（LMT）、亚毫米波阵列（SMA）、亚毫米波望远镜（SMT）以及南极望远镜（SPT）。它们同时对同一黑洞进行观测，各台站测量数据的高精度时间同步，是重建黑洞图像的关键。鸣谢：ESOM.Kornmesser

同样，当我们利用地球上多个不同的射电望远镜观测同一个天体时，只有通过精确计算信号抵达各望远镜的时间差，才能反演出该天体在信号发出时刻的结构与状态；这正是甚长基线干涉测量技术实现高分辨率成像的基本原理，例如对黑洞事件视界尺度结构的成像研究。只有结合相对论理论，并考虑：

光速的有限性，光（或引力波）从发射源传播到观测者所经历的时间延迟，以及在信号传播期间源与观测者之间距离的变化。

我们能否准确确定遥远物体的何时与何地。

在最大的宇宙尺度上，还有一个因素需要考虑，包括对梅西耶87星系中心黑洞事件视界的宇宙学测量，那就是宇宙的膨胀。当一名足球运动员跑向球场前方，预判队友将球传到自己未来所在的位置时，这种心理计算对我们来说是直观熟悉的，因为足球场本身是静态且不变的。但如果球场本身正在膨胀呢？

尽管这听起来对足球来说可能很荒谬，但在宇宙膨胀以及我们对本星系群以外遥远星系的观测中，情况恰恰如此。

这个简化的图片展示了在宇宙膨胀过程中，光如何发生红移，以及未受引力束缚的天体之间距离如何随时间变化。需要注意的是，初始时刻两个天体之间的距离小于光在该时间段内所能传播的距离；光在传播过程中因空间膨胀而发生红移；最终，这两个星系之间的距离远大于光子在两者间传播所经过的路径长度。鸣谢：罗布克诺普

正如物体可以在空间中相对于彼此运动，并且在信号从一个物体向另一个物体传播的过程中持续运动一样，空间本身的结构也可以发生膨胀。这一额外效应——超越此前所讨论的所有其他因素——成为除最近邻星系之外所有星系的主导机制，从而导致一种深刻的区别：

信号发射时刻，光源与（最终）观测者之间的初始距离（单位：光年）；信号在传播过程中，从光源到观测者的光行时间（单位：年）；观测者接收到该信号的时刻，（原始）发射光源与观测者之间的最终距离（单位：光年）。

例如，当我们观测一个天体时，所看到的是它1亿年前的样子，即此刻到达我们的光已经传播了1亿年；而该光发出时，天体与观测者之间的距离仅为9900万光年，等到这束光抵达我们时，二者之间的距离已扩大至约1.01亿光年。这种效应随距离增大而愈发显著：传播时间为10亿年的光，对应天体当前的距离约为10.36亿光年；传播时间为100亿年的光，对应天体当前的距离约为160.3亿光年；而来自目前已知最遥远星系的光，传播时间约为135.3亿年，其当前的距离则高达约338亿光年。

该图展示了目前已确认的星系MoMz14的NIRCam（上）和NIRSpec（下）数据：这是迄今为止已知最遥远的星系。该星系在1.5微米及更短波长下完全不可见，其光线因宇宙膨胀而被拉伸。下方光谱中可见多种电离原子的发射特征，以及显著而强烈的莱曼断裂特征。

所有这些都表明，爱因斯坦一个多世纪前揭示的原理至今依然成立：空间、时间、距离、持续时间，以及关于何处与何时的答案，全都是相对的。具体而言，它们依赖于时空中的点或事件——即三维空间中的特定位置与时间中的特定时刻——而这些点或事件又取决于观测者所处的参考系（亦即其三维速度）。它们还依赖于光源与观测者彼此之间的相对运动状态，以及支配宇宙的时空在上述两个关键点之间是处于膨胀、收缩，还是保持恒定不变的状态。

唯有全面理解所有相关因素，并对所用术语有清晰明确的界定，我们才有可能准确回答何时和何地这类问题。你常会看到天文学家宣布某类天体距离我们70亿光年，但实际上这种表述并不精确；他们真正想表达的是：来自该天体的光自发射以来，历经70亿年才抵达我们的望远镜和探测设备。事实上，由于宇宙持续膨胀，该光发出时，光源与观测者之间的实际距离小于70亿光年；光在空间中传播了70亿年之后，当它最终到达我们这里时，光源与观测者当前的实际距离已大于70亿光年。若要准确回答看似最基础的两个问题——何时与何地，我们必须综合考虑经典物理、狭义相对论乃至广义相对论等多重效应。

科学与技术、天体物理学、天文学、物理学、相对论

相关知识

时空是物理学中描述物质存在与运动的基本框架，由三维空间和一维时间共同构成。爱因斯坦的相对论指出，空间与时间并非彼此独立，而是相互交织成四维连续体；物体的质量和运动状态会影响时空的弯曲与流逝速率。日常经验中，我们感知到的时间单向流动、空间具有延展性，但现代物理揭示其本质比直观感受更为深刻而统一。

BY: Ethan Siegel

FY: AI

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爱因斯坦如何重塑时空观念