▲一颗恒星扭曲时空连续统，产生引力效应。
数千年来，我们凝视空间，好奇它那古怪的形貌，无非是在表观上探寻，试图看出恒星与行星、太阳与月亮如何与地球相关联。日月运行是人类在天上的时钟，度量时、日、月和年。但空间与时间被当作分立的概念。不过，自20世纪初，我们与空间和时间的关系开始变化。爱因斯坦之后，二者被紧密结合到一起成为时空连续统，而研究空间的焦点不仅是“那里有什么”，还要有我们宇宙的过去与可能的未来。
计时简史
数日的流逝固然易见，但一整年的变迁模式仅当有记录和计数才会变得明显。人们追踪时间的最早证据可以回溯到大约20000年前。数学和早期的天文知识或许是随人们学会追踪并预测天体运动一道萌兴的。
▲漏壶在古希腊用来度量时间，这类水钟已经被用了数千年。
度量一日的流逝在早期是用一个日表来实现的，这个东西类似于日晷上的晷针，靠投射出的日影来追踪太阳巡天的进程。数千年来，这都是时间流逝的最佳指示。后来到了17世纪，伽利略比较了摆动的吊灯和他自己的脉搏，发现了周期性的单摆运动。单摆总是花同样的时间完成一次完整的摆动：随着摆幅减小，单摆运动逐渐减慢以保持周期恒定。
伽利略设计了一种摆钟，但从未制作出一台。是克里斯蒂安·惠更斯在1656年制造了第一台摆钟。后来，罗伯特·胡克用弹簧的固有振荡控制机械钟的运作。用机械手段度量时间一直是常态，直到1927年供职于新泽西州贝尔电话实验室（Bell Telephone Laboratories）的加拿大裔电信工程师沃伦·马里逊（Warren Marrison）发现他可以用石英晶体在电路中的振动来精确度量时间。
明日复明日
时钟度量线性时间，它对人类生活非常方便，但还不能代表整个故事。公元前500年左右，佛陀和毕达哥拉斯都提出了时间或许非线性的观念。他们相信时间可以是循环往复的而人类或许会死后复生。柏拉图认为时间是在万物之初创生的。但对亚里士多德来说，时间只存在于有运动的地方。哲学家芝诺（Zeno, 约公元前490年-公元前430年）提出了一个明显的悖论，似乎揭示了时间和运动都不能存在。如果我们将时间分割成的部分越小，一支运动箭矢行经的距离越短，直至“此刻”一瞬，箭矢不动。但那种情境中，根本不存在箭矢的运动，因为时间是由无穷多没发生运动的“此刻”构成的。基督教哲学家圣奥古斯丁（St Augustine, 公元354年-公元430年）得出结论，时间并不存在，除非存在一种在观测的智能，因为只有对过去事物的记忆以及对未来事件的预期才会给出了此刻之外任何时间的存在。
▲机械钟表的运作提供了精确报时的第一种方法。
法国数学家尼古拉·奥雷姆（Nicole Oresme, 1323-1382）发问，天上的时间——用天体运动度量的时间——是否是可公度的：即是说，是否存在一个单位使得天体的运动都可用整数来度量。他提出，一位智能的创造者无疑会如此行事，但他没有发现公度单位的缺失意味着上帝不存在。
▲圣奥古斯丁
空间与时间的联姻
我们个人对时间的体验是直截了当的。时间自过去经现在通向未来，不可能回溯过去，也不可能跳跃向前或定格现在。它以稳定的速率朝一个方向运动。毫无疑问，数千年来，我们都假定这正是时间的本性。但事实或许并非如此。
一切都是相对的
一切运动都是相对观察者的位置或运动而言的。那么，当你走过一个房间，静止在房间里的人可能会判断你的速度约为5千米每小时（3英里每小时）。你和这位观察者实际上都在自转的地球上，而地球穿行空间的公转线速度近乎30千米每秒（19英里每秒），但只有你走过房间的运动被观察到了。不过，在一颗遥远行星上的观察者（用一台性能优良的望远镜）还会看到地球的自转和公转。（伽利略意识到了这一点，尽管他谈论的是岸边的观察者看船上的人，而非外星人用望远镜看地球。）所以，一个物体运动的速度取决于参考系，运动只能相对于其他物体或观察者来度量。参考系可能是上文中的房间、船、行星或者星系。
让引力走到极端：黑洞
黑洞是时空中的“奇点”（singularities）。它们是引力强大到连光都不能逃逸的区域，任何靠得太近的东西都会被吸进去。当恒星自身坍缩到极小，就可能形成密度极大的黑洞，在某些情况下不大于一个原子核。离开黑洞所需的逃逸速度比光速还大。度量一个黑洞尺寸的是它的事件视界（event horizon）——没有东西能逃逸出去的边界。虽然一个落入黑洞的宇航员在穿越事件视界时可能不会注意到任何反常之事，但在外边的观察者会看到那人的时间变慢了。在事件视界的边缘，时间看似冻结了。
黑洞的概念（虽然不是这个名称）最早由二人独立提出——皮埃尔—西蒙·拉普拉斯是在1795年提出，他之前的英格兰哲学家约翰·米歇尔（John Michell, 1724-1793）在1784年提出。
一颗恒星密度极大且引力作用极强以至于光都无法逃逸，米歇尔将这种现象称为“暗星”（dark star）。1916年，德国物理学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild, 1873-1916）在去世前不久复兴了这个观念，他计算了恒星和坍缩星的引力场。“黑洞”（Black Hole）这个术语是美国理论物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒（John Archibald Wheeler, 1911-2008）在1967年创造的，彼时宇宙学家首次发现了它们存在的迹象。
爱因斯坦发现了这条基本法则的一个例外：光，他说光速总是不变的——不管观察者的运动速度如何。他解释道，不管你运动得有多快，一束光从你身边呼啸而过的速度都是299792458米每秒。由于光速是恒定的，其余诸事就不可能恒定了——此中之一便是时间。事实上，趋近光速，时间会变慢而距离会收缩。爱因斯坦的这一观点在1971年被证实了。高速飞机携带的原子钟记录到的时间略短于在地面静止的同样原子钟记录到的。不过，乘坐高速飞机不是一条延长你寿命的好路子——你得环游地球1.8千亿圈来节约出1秒钟。
▲左下方的亮斑是哈勃望远镜拍摄的一颗超新星。
爱因斯坦的广义相对论发表于1915年，进一步将时空和物质结合到一起，并用引力解释了一个对另一个的影响。物质弯曲了时空，有点儿像一个球扔到有弹性的毯上形成一个凹陷。其他物体和光响应这种弯曲的运动方式被我们表述为引力的作用。故而，正如一个小球自然会滚向一个大球在毯上造成的凹陷，空间里的小物体自然也会在时空曲率的约束下被吸引向一个大物体。这种曲率早在爱因斯坦之前就已被德国数学家伯恩哈德·黎曼（Bernhard Reimann, 1826-1866）提出了，黎曼的观念在他去世后的1867年到1868年才发表出来。但爱因斯坦比黎曼要更进一步，他给出了解释和预测这种曲率的方程。
很远之外与很久之前
还有另一种不那么理论性或复杂的方式将我们对空间的兴趣同时间、光速纠缠到一起。当我们观看恒星时，看到的是他们过去的样子，这是因为它们的光抵达我们所在要花一段时间。即便来自太阳的光，也是我们看到之前8分钟发出来的。如果太阳在2分钟之前就已熄灭，我们会仍会看到它发光6分钟，全然不知即将面临的灾难。
离太阳系最近的恒星是半人马座比邻星（Proxima Centauri），来自它的光抵达我们所在要花4年又3个月。在1988年首次发现的一颗超新星是有史以来探测到的最亮星之一。既然超新星表示一颗恒星的死亡，超新星已爆发，那颗恒星便不复存在了。它有50亿光年之遥，所以在1988年看到的光表示该恒星死于50亿年之前，甚至早于我们所在太阳系的形成。开普勒和伽利略在1604年目击的超新星约有20000光年之遥——所以那颗恒星大约在猛犸象纵横冰封欧陆的时代已然不复存在了。
回到太初
当然，没人知道恒星和行星是什么的时候，很难说它们怎么会在那里，除了少数显著的例外，大多数文化都把这个问题留给了宗教。詹姆斯·厄舍大主教（Archbishop James Ussher, 1581-1656）基于《圣经》记载的谱系，算出创世的日期（可据此估计宇宙的年龄）为公元前4004年10月22日。其他许多文明也提出了他们自己的创世日期。玛雅人给出的创世日期转译过来是公元前3114年8月11日。犹太教将创世日期设定在公元前3760年9月22日或3月29日。印度教的往世书走了另一个方向，将创世时间一举推到158.7万亿年前。还有一些意见提出宇宙一直在那儿。比如，亚里士多德认为宇宙有限却永恒。
走出混沌
阿那克萨哥拉在公元前5世纪提出，宇宙始于一堆未分化的惰性物质。在某个时刻，在什么都没发生的无限时间之后，灵明（他对宇宙自然规律的比喻）开始作用于这种物质，引发一种回旋运动。这个宇宙模型和现代天文学家发展出来的无甚区别，巨大的尘埃云合并成前行星盘，太阳系由此形成，又通过引力提供的向心力作用，形成了行星。阿那克萨哥拉的工作只是借助逻辑推理（以及大量想象）。
哲学家德谟克利特和留基伯（公元前5世纪）相信，宇宙形成于回旋运动引导原子聚集成物质之时。由于宇宙在时间和空间上是无限的又包含无穷多的原子，所有可能的世界和原子组态皆会存在，所以我们这个世界以及人类的存在并不特殊，乃是自然而然。因为一切都在不断流变，一个宇宙会诞生，亦终归解体，它那些不灭的原子又会在一个新的宇宙中重新发挥作用。我们知道，即使在较短的时间跨度内，一个死亡恒星系里的原子最终也会被回收利用。
▲笛卡尔将空间划分为不同区域，每个区域都包含有绕一个中心旋转的粒子，1644
勒内·笛卡尔描述了一个“涡旋”（vortex）宇宙，其中空间不空，而是充满物质，这些物质在涡流或涡旋中转圈，产生的效果后来被叫作引力效应。1687年，牛顿提出了一个静止而无限的稳态宇宙，其中的物质均匀分布（在大尺度上）。他的宇宙是引力均衡的，但不稳定。这作为一种科学的模型一直持续到20世纪。纵然是爱因斯坦也承认这是既定真理，直到有发现证实并非如此。
公元前3世纪的希腊斯多噶派哲学家相信，宇宙就像一个被无限虚空包围的岛屿，处于永恒的流变状态。斯多噶学派的宇宙有节奏地搏动，其大小会改变，还会遭受周期性的动荡和火灾。所有部分都是相互连接的，因此一个地方发生的事情会影响其他地方发生的事情，这个奇妙的观念会反映在量子纠缠上。
现代宇宙模型
爱因斯坦广义相对论方程的一个特征是，不靠“花招”，他们就不能描摹一个静态的宇宙。由于爱因斯坦坚信宇宙是静态的，他在自己的方程里添加了一项“宇宙学常量”（cosmological constant）使方程发挥作用。但其他人对爱因斯坦的方程有不同诠释。最早提出膨胀宇宙的是俄国宇宙学家兼数学家亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann, 1888-1925）。运用爱因斯坦的相对论方程，弗里德曼在1922年发表的一篇论文中提出了一个膨胀宇宙的数学模型。他死于伤寒，享年仅37岁，他是在克里米亚度假时染上的伤寒，而他的工作在很大程度上被忽视了。爱因斯坦是读过弗里德曼论文的少数几人之一，但他不假思索地否定了。然而，出现证据支持弗里德曼之后，爱因斯坦被迫否定他自己的早期模型，抛弃宇宙学常量。
红移
对一颗恒星发出的光做光谱分析，若恒星靠近观察者，会看到光“挤压”到光谱的蓝光波段（蓝移），若恒星远离观察者，会看到光“伸展”到光谱的红光波段（红移）。这被称作多普勒效应（Doppler effect）。声波也会产生同样的效应，当警车靠近收听者，由于声波被压缩，警笛声的音调听起来会更高，而当警车远离时，由于声波被拉伸，警笛声的音调听起来会更低。然而，哈勃观察到的红移并非源于星系恒星运动导致的多普勒效应（虽然这也会导致红移）。它反倒是源于我们所在星系和遥远星系间的空间伸展，此即宇宙是如何膨胀的。穿过伸展空间的光波长也会被拉伸。光的波长越长，色彩越红，因此发生红移。这就是红移的存在为何是膨胀宇宙的证据。1917年，美国天文学家维斯托·斯莱弗（Vesto Slipher, 1875-1969）率先测量并描述了某些遥远星系的红移。但正是哈勃发现了红移的普遍性以及最远的星系退行最快。哈勃将之写进论文《河外星云的距离与视向速度之间的关系》（Relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae）发表。
▲光波移向光谱的红端还是蓝端取决于波源是远离还是靠近观察者。
1929年，美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble, 1889-1953）证实了四面八方的遥远星系正在远离我们所在的空间区域。哈勃对这些星系做了光谱分析，注意到它们的光移向光谱的红端——所谓的“红移”（red shift）。这些发现被当作宇宙确实在膨胀的证据。爱因斯坦现在大致接受了弗里德曼的模型，但认为宇宙会在大爆炸之后的膨胀和收缩之间振荡，引力最终会再次将所有物质拉回来，造成一次大收缩（Big Crunch）和一个奇点，这个奇点又会在另一次大爆炸中爆发。这种循环往复会永远持续下，但由于时间伴随着空间，空间和时间都是无始无终的（或者有无穷多的开端和终结，这取决于你想要如何看待）。
译者注释
[1]从纹饰上看，这个漏壶是古埃及风格
[2]即巴门尼德的学生“埃利亚的芝诺”（Zeno of Elea），区别于后来斯多噶学派“季蒂翁的芝诺”（Zeno of Citium）
[3]这种常见的衍生说法极易引起对相对论（朴素相对论、伽利略相对论以及爱因斯坦的狭义和广义相对论）的误解，相对论的主旨恰恰与其字面意思相反。
[4] 即真空光速。
来源：墨子沙龙
编辑：雪影
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