地球是历史的时空整体——时间是什么？
有人说，时间是一个永恒的谜，每个生活在这个谜中的人都意识到时间的存在；但是没有人能看到和抓住它。时间之谜也在物理学中形成了一个有趣的三角形:时间需要用空间和运动来衡量。
这种时间、空间和运动的相互度量困扰了许多哲学家。然而，物理学家已经习惯于处理它了。事实上，到目前为止，物理学的许多最基本的成就都来自于这种努力。牛顿(1642 ~ 1727，英国物理学家、数学家、天文学家)对科学最大的贡献在于他对自己的运动如何随时间变化的数学定义——“绝对时间”；后来，爱因斯坦(Albert
爱因斯坦，
阿尔伯特·爱因斯坦的相对论时间(1879-1955德国物理学家)揭示了时间如何随运动而变化的规律，打破了人们对这种三角关系的常识性看法，从而改变了物理学。
亚里士多德反驳说:
亚里士多德
世界上第一个试图从物理学角度确定时间与运动关系的人是古希腊著名的哲学家、科学家、教育家亚里士多德。亚里士多德生活在公元前四世纪，相当于中国的战国时期。他宣布:“只有当我们掌握了运动，我们才能掌握时间。”“我们不仅用时间来衡量运动，也用运动来衡量时间，因为它们是相互定义的。”
如果亚里士多德几乎正确地描述了时间和运动之间的部分关系，那么他的观点在解释运动的本质和原因时就成了悖论。亚里士多德从自然界中表面的“事实”出发，认为任何运动的物体都有静止的自然倾向，一块扔出去的石头会快速滚动，最终停下来；马车不会停下来，直到马拉着它。
亚里士多德由此引出了自己的理论:“运动的速度与产生运动的力成正比。”两匹马拉的马车比一匹马拉的马车“自然”快一倍。十公斤重的石头下落的速度。“自然”是五公斤重的石头下落速度的两倍，即“重的物体比轻的物体下落速度快”，这就是亚里士多德的贝理论。
真正打破亚里士多德悖论的是伽利略(1564-
1642天文学家、物理学家、力学家和哲学家，也是现代实验物理学的先驱)。伽利略是一位伟大的天文学家。他是第一个发明望远镜的人，望远镜开阔了人们的视野。他也是著名的物理学家。伽利略尖锐地指出，“物体越重，下落越快”这一论断在逻辑上是矛盾的。如果一个重的物体和一个轻的物体同时下落，两个物体绑在一起，下落时间应该是多久？
根据亚里士多德的说法，会有两种答案:
(1)重物体带动轻物体下落快，轻物体影响重物体下落慢；
(2)两个物体绑在一起，一定比单个物体重；
这两个结果互相矛盾。所以伽利略认为亚里士多德的论证不能成立。
据说当时伽利略在比萨斜塔上做了一个自由落体实验，以证明亚里士多德理论的错误。它向人们展示了铁球，一大一小，一轻一重，从塔上落下后几乎同时落地。重复实验都是如此。
牛顿的“绝对时间”
牛顿比伽利略更进一步。牛顿认为，与亚里士多德的“理论”相反，一个运动的物体永远不会静止，除非有别的东西阻止它。落下的石头会因为被地球阻止而一动不动地落到地上；马车停下来的原因是车轮和路面之间有摩擦力。在光滑水平的路面上，装有无摩擦轴承的车厢会保持滚动。所以牛顿指出，力对物体的作用只是使其运动速度随时间而变化。这种变化的量叫做加速度，它与力的大小成正比。这是牛顿第二运动学定律。
牛顿运动定律和他在1684年推导出的万有引力定律一起，奠定了经典物理学的基础，对当时和后来自然科学的发展产生了巨大的影响，直到今天仍被广泛使用，继续发挥着巨大的作用。但是，需要注意的是。牛顿定律基于这样一个概念，即用来测量运动的时间是一个均匀流逝的“绝对时间”。
什么是绝对时间？牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中给出了如下定义:“绝对的、真正的数学时间，就其本身及其本质而言，总是均匀流动的，它不依赖于任何外在的东西。”牛顿解释时间和运动关系的观点，在他自己的理论体系中也是矛盾的。因为他已经承认运动不是绝对的。那样的话。你如何测量或感知绝对时间？
戈特弗里德·威廉。
莱布尼茨，1646 ~ 1716德国数学家和物理学家)认为与时间相比。事件应该更基本；认为时间可以脱离事物而存在的想法是荒谬的。在他看来，时间来源于事件，所有同时发生的事件构成了宇宙的一个阶段。而这些阶段就像昨天，今天，明天，一个接一个。莱布尼茨的相对时间理论在今天看来比牛顿的理论更容易被接受，因为它更符合现代物理学的发展。
直到20世纪初，人们普遍认为有一种独特的、普遍适用的时间系统，它不依赖于任何其他东西。正因为如此，当爱因斯坦在1905年发现了时间理论中一个从来没有人怀疑过的漏洞，推翻了这些假说以及基于这些假说的整个时间哲学时，物理学经历了一场地震。这个漏洞就是狭义相对论揭示的时间相对论。
运动的相对性:
提到相对论，大多数人都会感到敬畏，说它深奥难懂。这多少有些道理。因为它从根本上改变了作为人类思维活动基本要素的时间和空间的旧观念，也用违背常识的方式考虑问题。
自然界中有些结构是符合常识的，可以通过我们的感觉直接验证；但它也有一些与常识内在不符的部分。为了正确认识自然，人们不得不做出不符合常识的考虑，所以我们今天不得不去理解相对论。为了方便起见。先说运动的相对性原理。这是可以直接验证人的感受的部分。
体育运动没有相对性！答案是肯定的。运动和静止是相对的。对于生活在地球上的人来说，山脉、森林、村庄、房屋都是静态的；然而，地球是绕着太阳转的。与太阳相比，地球上的上述物体是运动的，它们随着地球运动。
这里我们看到。要判断一个物体是运动的还是静止的，我们必须选择另一个物体作为参照物。如果两个物体彼此在匀速直线运动，它们之间没有唯一权威的观察者，必须选择第三个物体作为参照物。
这个被选作参照物的物体，在物理学上叫做参考系或坐标系。传统上，物理学家总是喜欢选择不受力的物体作为参考系。这样的参考系称为惯性参考系，或惯性坐标系，或简称惯性系统。当然，严格来说，自然界没有不受力的物体，这样的惯性系是找不到的。但是，问题必须解决。人不可能长时间处于“有理有据，有理有据”的境地。所以物理学家最终做出了这样的选择:当一个物体远离其他物体时，也就是受其他物体的力影响很小时，可以作为近似惯性系。
早在十七世纪，伽利略就发现通过力学实验无法判断实验室是否匀速直线运动。这和我们坐在匀速直线运动的火车里，不参考路基两边的树木或房屋是一样的。你无法判断匀速直线运动的火车是运动的还是静止的。伽利略提出，在所有的惯性系中，力学现象都遵守同一个力学定律。这就是运动相对性原理，是经典力学的基础。
时间膨胀
相对论诞生至今已有百年，之所以引起人们的关注，一方面是因为它在各个领域都取得了巨大的成就，另一方面也是因为它引起了很多争议。相对论的两个基本假设:相对论原理和光速不变的假设导致的一系列似是而非的结果(称为“悖论”)
)，自从它诞生以来，就一直众说纷纭。
其中最著名的是时钟悖论、潜艇悖论和哥德尔悖论。
相对论诞生后，人们逐渐意识到，不仅时间的度量存在问题，空间的度量也存在问题。尺子的长度在不同的地方是否相同，尺子的长度在运动过程中是否会发生变化，成为了一个需要深入思考的问题。
在人们的日常观念中，“同时”是绝对的，两件事是否同时发生具有绝对的意义。“同时性”的相对性与人们的日常观念大相径庭，很难被接受。为什么我们平时感受不到“同时”的相对性？那是因为这种相对论只有在接近光速(每秒30万公里)时才会明显。我们平时接触的汽车、飞机甚至火箭，都太慢了，感觉不到这种不同。
同时由于相对性，高速运动的尺子会在运动方向上缩短。高速运转的钟。它将比一系列静态时钟(校准和同步)慢。理解“同时”的相对性是理解相对性的关键。
爱因斯坦的相对论认为，运动尺子的缩短是相对的，是一种时空效应。当这种效应发生时，原子结构和原子内部的电荷分布不会发生变化。相对论认为运动的尺子收缩是相对的，两个相对运动的刚性尺子会认为对方缩短了，这是“同时”相对论的结果，与绝对空间无关。相对论认为根本不存在绝对空间。
运动时钟变慢也是相对的。两排平行放置并相对移动的钟，让其中一个对方的钟依次与自己的系列钟比较，会认为对方的钟(相对自己移动)慢一些。这个效果已经被实验证实了。
潜艇接近光速时是上浮还是下沉？
一艘以接近光速行驶的潜艇，最后会浮在海里还是沉下去？这是一个悖论，是爱因斯坦相对论衍生出的著名的“海底悖论”。巴西科学家通过研究表明，它会沉入水底。
根据爱因斯坦的相对论，物体的长度会在运动方向上收缩。比如一列以接近光速运行的火车，在站台上静止的观察者眼里会变短；在列车上的乘客眼里，列车已经接近光速，但是后退的站台已经缩小了。
所谓“潜艇悖论”是指这样一种理论上的假设情况:首先假设一艘完全浸没在海水中的潜艇能够保持平衡，相对于海水不上升也不下降，然后假设它在平行于海面的方向上以接近光速的速度行驶。基于物体的长度会在运动方向上收缩的相对论效应，潜艇本身也会收缩，密度变大，最终沉向海上船上的观测者。然而，潜艇上的船员看到的却是急速后退的海水在缩小，密度在增加。他们会得出这样的结论:潜艇会上浮是因为海水密度增加，产生了更大的浮力。根据相对论，这两种观点似乎都没有错，潜艇是沉还是浮的悖论由此而生。
巴西科学家指出“海底悖论”
之所以让人不解，是因为提出这个悖论时没有考虑海水重力场对潜艇的作用。在不同的参考系下，相对静止在海里的观测者和潜艇艇员的重力场是不一样的。通过严密的数学推理，他们发现，从潜艇艇员的角度来看，潜艇在接近光速运动的过程中所受到的有效重力，实际上比潜艇相对于海水静止时要大。这种重力会超过海水密度增加产生的浮力，最终导致潜艇沉没。
时间膨胀:
时间膨胀是相对论效应的一个特别突出的例子，它首先在宇宙射线中被观察到。我们注意到，在相对论中，空间和时间的尺度随着观察者的速度而变化。例如，假设我们测量一个向我们移动的时钟所指示的时间，我们会发现它比另一个相对静止和正常的时钟慢。另一方面，假设我们也以这个移动的时钟的速度移动，它的行走时间恢复正常。我们不会看到一个普通的时钟以光速向我们飞来，但是放射性衰变就像一个时钟，因为放射性物质包含了一个完全确定的时间尺度，也就是它的半衰期。当我们测量飞向我们的宇宙射线M时，发现它的半衰期比实验室测得的22微秒要长得多。从这个意义上来说，从我们观察者的角度来看，M内部的时钟确实走得慢了。时间的进程拉长了，也就是说，时间扩大了。
孪生悖论
相对论中有一个著名的孪生佯谬，是法国物理学家朗之万在相对论早期提出的。悖论说，有一对双胞胎兄弟A和B，A一直生活在地球上，B将乘飞船去其他星球旅行，回来时B将比A小。如果飞船加速到接近光速再返回，B会比A年轻很多，可能A是个老人，B还年轻。这个看似不可能的事情真的有可能吗？相对论回答说，星际旅行者会比他留在地球上的兄弟更年轻地回来，这是可能的，也是真实的。
现在我们来解释一下这个悖论。我们每个人都可以看作是三维空间中的一个点。静止的人是上下、前后、左右固定的，是三维坐标系中的一个固定点。三维空间加上时间就变成了四维时空。因为时间总是在流逝，任何物体和人都要与时俱进，所以三维空间中的一个静止点，在四维时空中一定会划出一条线。留在地球上的双生子a相当于静止，星际旅行者B描绘的世界线是一条直线，星际旅行者B描绘的世界线是一条曲线，两条线首尾相连，说明出发和返回是在同一时间同一地点。
相对论认为世界线A的长度是留在地球上的A哥经历的时间，B的长度是做星际旅行的B哥经历的时间。两条线的长度不一样，也就是说，双胞胎兄弟经历的时间长短不一样。哪个人经历过很久？有人会说直线比曲线短，所以A比B用的时间少，双胞胎悖论不是说B比A年轻吗？怎么会反过来呢？其实不是反过来。你之所以认为B线比A线长，是被欧几里德几何拿去了。我们通常使用的几何是欧几里德几何，两点之间的距离是最短的。但在相对论中，四维时空的几何不是欧几里得，而是伪欧几里得。在伪欧氏几何中，斜边的平方等于两条直角边的平方差，两点之间的距离最长。所以曲线B比直线A短，B经历的时间比A短..双胞胎中的星际旅行者比他们在地球上的兄弟经历的时间更少。所以返回会合时，B会比a年轻，孪生佯谬是一个真实的效应，可以使宇航员在有生之年到达非常遥远的星系。
1971年，美国海军天文台将四台铯原子钟放在一架飞机上，从华盛顿特区出发，分别向东方和西方飞遍全球。结果表明，向东飞行的铯原子钟与停在天文台的铯原子钟读数相差59纳秒，向西飞行时相差273纳秒。虽然在这个实验中没有扣除重力造成的影响，但是测量结果表明“孪生佯谬”确实存在。
重力钟
自然界中有四种基本力量在起作用。分别是:引力、电磁力、核力和原子衰变时的弱力。
万有引力是牛顿发现的，但打开万有引力秘密之门的却是爱因斯坦。爱因斯坦在广义相对论中指出，宇宙中充满了引力波，引力波是一种物体周围的空间以波的形式弯曲并以光速传播的现象。这是一个相当深奥的问题。虽然它的提出已经过去了半个多世纪，但它仍然吸引了许多物理学家的兴趣。1938年，英国物理学家和美国物理学家对爱因斯坦的引力理论做了一些修改后，提出了引力减弱假说。根据这个假设，重力在慢慢减小。重力真的在减小吗？这又是一个需要实验来回答的问题。原子钟出现后，有人提出可以通过原子钟和“引力钟”的对比来直接测量这种引力的减小。
原子钟利用原子中电子的振荡来代替一般钟表的钟摆。决定电子振荡周期的力是原子内部电子与原子核之间的电磁力。电磁力是不变的，所以原子钟的速度不会变。
所谓引力钟就是卫星的周期，引力钟的速度可以根据卫星绕地球的周期计算出来。当重力减弱时，这个周期会增大，这说明重力钟的速度变慢了。如果引力真的随着时间的增加而减弱，引力钟也会逐渐变慢。通过对比原子钟和引力钟几年的速度，可以从原理上验证引力减弱的假设。
当然，这只是一个想法。随着原子钟质量的不断提高和对卫星运动规律的深入了解，我们相信这种验证的日子很快就会到来。
六楼的时间
六楼(离地约22米)的钟比地面上的钟快2.4秒。
爱因斯坦在广义相对论中指出，在非惯性坐标系中，当运动物体在中心物体的引力场中运动时，对于同样的体验，在运动物体上测得的时间间隔大于在中心物体上测得的时间间隔。较大的值约为
g是重力加速度，m是重心(比如地球)的质量，r是重心的半径。
也就是说，在运动物体上测得的时间不仅与运动速度有关，还与它离地心的距离有关。这种情况表明，顶部的时钟比底部的时钟走得快。
根据相对论。对于位于地球表面不同高度的原子钟，相对论效应引起的时差修正为:1.09×10-16秒/米(海平面)，即每100米钟快十亿分之一秒。
按此计算，22米高的六层楼上的钟每秒钟比地面上的钟快2.4秒。
还有珠穆朗玛峰顶上的钟。它比地面上的时钟快万亿分之一秒。
在原子钟出现之前，不可能测量这么短的时间。只有使用原子钟，人们才能用现代实验方法验证它的正确性。
赤道上的钟慢吗？
爱因斯坦是一位伟大的物理学家，他的许多预言都被实验证实了。但是他的每一个预测都是正确的吗？答案是否定的。
爱因斯坦在他关于相对论的第一篇论文《论运动物体的电动力学》中总结道:与放置在地球两极的相同质量的钟相比，在其他条件相同的情况下，赤道上的钟会走得慢一些。换句话说，地球表面不同纬度的时钟速度是不同的。在一天中，赤道钟将比极地钟慢大约102纳秒。显然，爱因斯坦在这里只考虑了时间的速度，而没有同时考虑引力效应。我们知道。虽然地球表面的线速度在不同纬度是不一样的:离赤道越远，线速度越小，两极为零，但地球是椭球体，两极比赤道更靠近地心，所以两极的引力大于赤道。这两个因素对时钟速度的影响相互抵消，综合效果正好为零。
科学家通过了飞行钟测试。实测飞行钟与地面钟相差38纳秒，与理论计算值(35纳秒)一致，证明钟速与纬度无关。这说明爱因斯坦当时的推断是错误的，赤道上的钟不会比两极的钟走得慢。可见，任何一个伟大的科学家在创造一种新的科学理论时，都不可避免地会受到当时技术条件的限制。后来的探索者有责任根据自己的实践去检验这些理论，或抛弃，或继承，或修正，切不可迷信。
时空弯曲；
时间的相对性不仅包括运动的时钟会变慢，还包括最基本的时间概念——它的过去、现在和未来的性质。
在我们的日常生活中，除了用日期来表示事件发生的时间外，我们还经常使用“过去”、“现在”和“未来”等时态。用时态描述时间准确地反映了时间作为物质存在和运动形式的本质。它不是固定的，它总是在变化。未来最终会变成现在，然后变成过去，也就是时空弯曲的现象。
爱因斯坦的相对论证明了“同时”是相对的，从而揭示了“未来”和“过去”的相对性。根据相对论，对于向不同方向或以不同速度运动的观察者来说，事件的时态既没有绝对的过去，也没有绝对的未来。对于一个观察者来说，两个空间上分离的事件可能同时发生，但是对于另一个做不同运动的观察者来说，它们可能不同。例如，观察者可以发现事件A出现在事件B之前；另一个观察者可能得到相反的结论，第三个观察者甚至可能发现一个，
它发生在同一时间。所有三个观察者的结论在他们各自的参考系中都可能是正确的。
所以相对论中不存在普适的“现在”。事实上，爱因斯坦相对论所揭示的时间的特性恰恰说明了这一点。
频道
虫洞和时间隧道
我们的宇宙如此浩瀚，太阳系的直径大约有一光年(以光速飞行一年)。最近的恒星(比邻星)距离我们4光年。织女星离我们26光年，牛郎星离我们16光年，牛郎织女的距离也是16光年。从人类寿命的角度来看，不可能在不同星系间穿梭。
从我们宇宙的一个地方到另一个地方还有其他捷径吗？有没有可以缩短星际旅行时间的「时间隧道」？在我们的宇宙之外还有别的宇宙吗？如果有，那么不同宇宙之间是否存在“管道”？
更有趣的问题是，是否存在这样一条时间隧道，通过它我们可以回到过去，或者到达未来，甚至改变历史？
20世纪70年代，天文学家在银河系和其他星系的核心区域发现了星系黑洞，进一步引起了人们对时间旅行的关注。
从物理学的角度来看，要进行时间旅行，需要克服恒星间距离遥远的障碍，而克服距离遥远的最好方法就是扭曲空间。比如北京和华盛顿相距甚远，短时间内无法到达。如果地球像一张纸，可以折叠，只要把地球的两端折叠起来，让华盛顿和北京重叠，两地的距离不会更近吗？那么，时间和空间可以被扭曲吗？根据相对论，只要有超密集区，就可以做到这一点。如果时空被扭曲，宇航员可以像蚂蚁从一张折叠的纸的一边爬到另一边一样，轻松穿越遥远的时空距离。扭曲时空所需的超致密区域只能是黑洞。黑洞可以把时空扭曲成漏斗形状，在漏斗底部连接两个完全不同的时空结构。这就是现在所说的虫洞。