什么是时空？基本问题仍需完善和发展

据国外媒体报道，时空结构是三维空间和四维时间相结合的概念模型。根据目前最好的物理理论，时空解释了当接近光速和宇宙中大物体运动时，物体不同寻常的相对论效应。

谁发现了时间和空间？

著名物理学家阿尔伯特·爱因斯坦在他的相对论中扩展了时间和空间的概念。在他的开创性工作之前，科学家们使用了两种不同的理论来解释物理现象，一种是描述质量物体运动的牛顿物理定律，另一种是解释光的性质的詹姆斯·克拉克·麦克斯韦电磁模型。

然而，19世纪末进行的实验表明，光有其特殊的特性。测量结果表明，无论发生什么，光总是以同样的速度传播。1898年，法国物理学家和数学家亨利·庞加莱推测光速可能是一个不可逾越的极限。与此同时，其他研究人员也在思考物体的大小和质量随速度变化的可能性。

爱因斯坦在1905年提出了他的狭义相对论，综合了所有这些观点。狭义相对论假设光速是常数。要做到这一点，空间和时间必须结合成一个单一的框架，以确保所有观察者看到相同的光速。

一个乘坐超高速火箭旅行的人会比一个速度慢得多的人观察到更慢的时间流和更短的物体长度。这是因为空间和时间是相对的，都取决于观察者的速度。因此，光速是一个比这两个更基本的概念。

爱因斯坦没有得出时空是单一结构的结论。这个想法来自德国数学家赫尔曼·闵可夫斯基，他在1908年的一次学术会议上说:“从现在开始，空间和时间注定要被隐藏在阴影中。只有两者的结合才能维持独立的现实。”

他描述的时空仍然被称为闵可夫斯基时空，这是相对论和量子场论的计算背景。天体物理学家和科学作家伊桑·西格尔说，在量子场论中，亚原子粒子的动力学被描述为场。

时间和空间是如何工作的？

现在，当人们谈论时间和空间时，他们通常把它描述成一部橡皮膜。这也来自爱因斯坦，他在发展广义相对论的过程中认识到重力的产生是由于时空结构的弯曲。

巨大的物体，如地球、太阳等。，会扭曲空间和时间。这些弯曲反过来限制了宇宙中所有物体的运动方式，因为物体必须遵循弯曲的曲率。重力引起的运动实际上是沿着弯曲的时空运动。

2011年，美国宇航局的B(重力探测器B (GP-B))任务测量了地球周围时空漩涡的形状，发现它与爱因斯坦的预测非常一致。然而，对大多数人来说，时空结构的曲率仍然难以理解。虽然我们可以把时间和空间比作橡胶膜，但这个类比最终是站不住脚的。橡胶膜是二维的，而时空是四维的。这部电影不仅表现了空间的扭曲，也表现了时间的扭曲。物理学家也很难用复杂的方程来解释这一切。

天体物理学家保罗·萨特写道:“爱因斯坦制造了一台漂亮的机器，但他没有给我们留下用户手册。”。“为了让每个人都明白，广义相对论变得如此复杂，以至于当有人找到一个方程的解时，他们会用自己的名字来命名它，并凭借自己的能力变得半传奇化。”

科学家还不知道

尽管相对论非常复杂，但它仍然是解释我们所知的物理现象的最佳理论。然而，科学家也知道，目前的模型仍然不完整，因为相对论仍然没有完全融入量子力学。量子力学非常准确地解释了亚原子粒子的性质，但它不包含万有引力。

量子力学是基于这样一个事实:构成宇宙的微小粒子是离散的，或者说是量子化的。所以光子(构成光的粒子)以不同的方式出现，就像小块的光。

一些理论物理学家推测，也许时空本身也以这些量子块的形式存在，这将有助于在相对论和量子力学之间架起一座桥梁。欧洲航天局(欧空局)的研究人员提议建立“伽马射线天文学时空量子探索国际实验室”。该任务将围绕地球飞行，对遥远宇宙中的伽马射线爆发进行超精确测量，从而进一步揭示时空的本质。

这样的任务至少在15年内不会启动，但是如果成功的话，它可能会帮助科学家解决物理学中最大的谜团。