我们对 宇宙 从根本上取决于我们如何看待 空间 和 时间自 20 世纪初以来，突破性的发现——爱因斯坦的相对论， 量子力学等等——将这些概念从静态、绝对的框架转变为动态的、有时违反直觉的领域，在这些领域中 颗粒， 字段， 和 时空 自身以惊人的方式相互作用。这些突破迫使物理学家放弃传统的牛顿观念，拥抱一个 接近光速 扭曲距离和持续时间的测量；其中 重力 源于 曲率 时空，而不是一种看不见的力量； 量子效应 允许粒子像波一样运动，跨越很远的距离纠缠，并占据离散的能量状态。
主题 9：空间和时间的本质 探索现代物理学的这些重大转变，从运动和因果关系的相对论相互作用到 黑洞， 暗物质， 和 暗能量 塑造宇宙演化。在此过程中，我们遇到了 量子力学 和 相对论，瞥见了一条通往统一理论的可能途径，该理论或许能够协调宇宙的大尺度几何与最小的亚原子相互作用。以下是所探讨的核心主题：
- 狭义相对论：时间膨胀和长度收缩 – 爱因斯坦发现，高速运动的时钟会走得更慢，长度会缩短，这与常识的预期相悖。
- 广义相对论：引力作为弯曲时空 – 几何引力理论解释了从行星轨道到引力透镜的现象，并预测了黑洞等奇异物体。
- 量子力学：波粒二象性 – 从经典决定论转向概率波函数，引入不确定性原理和量化能级。
- 量子场论和标准模型 – 粒子物理学的顶峰，描述了费米子和玻色子及其基本相互作用，但留下了有关重力和超标准模型物理学的问题。
- 黑洞和事件视界 – 极端引力井甚至可以捕获光，具有霍金辐射等现象，在星系演化中发挥着至关重要的作用。
- 虫洞和时间旅行 – 爱因斯坦场方程的假设解；虽然是推测性的，但它们挑战了我们的因果关系和宇宙连通性的概念。
- 暗物质：隐藏的质量 – 间接证据表明，看不见的物质塑造了星系旋转曲线和透镜模式，促使人们寻找 WIMP、轴子或其他奇异粒子。
- 暗能量：加速扩张 – 观测表明，宇宙的膨胀正在加速，这是由渗透时空的神秘“排斥”能量驱动的。
- 引力波 – 时空本身的涟漪，最早由爱因斯坦预测，现在从合并的黑洞或中子星中观察到，证实了相对论的预测。
- 走向统一理论 – 正在进行的理论项目（弦理论、圈量子引力等）旨在将量子力学与广义相对论相结合，推动更深层次的“万物理论”。
这些主题共同强调了空间和时间不仅仅是被动的背景，而且 积极、不断发展的参与者 在宇宙中。从亚原子尺度到整个宇宙的膨胀，我们试图理解它们，这引领我们进入一个数学、实验和想象力必须协同工作的前沿领域。 主题 9 呈现了一幅丰富交织的画面，展示了我们在掌握自然界最深层规律方面取得了多大的进展，以及在通向更完整的现实图景的道路上还存在哪些挑战。