三维欧氏空间再加上一维的时间就是四维时空了。物理世界的第四维就是时间。时间经常与空间一起被用来描述我们周围发生的事件。无论是与老朋友相遇还是探讨遥远星际空间的大爆炸,一般不仅要说出它发生在何处,而且还要说出它发生在何时。因为除了表示空间位置的三个方向(经度、纬度和高度)或物体的长、宽、高等要素之外,还要再增添一个要素——时间。

生活在地球上的人们很容易认识到,所有的实际物体都是四维的,三维属于空间,一维属于时间。你所居住的房屋就是在长度上、宽度上、高度上和时间上伸展的。时间的伸展从盖房时算起,直到它最后坍塌为止。

必须注意的是,时间这个方向要素与其他三维很不相同,因为时间间隔是用钟表来度量的,即用时、分、秒和年、月、日来计算的。可是空间间隔则是用尺子来度量的(单位是米)。

再说,你能用一把尺子来度量长、宽、高,但是你却不能把尺子变成一个钟表来度量时间。另外,在空间里你能向前、向后、向上,然后再返回来;然而在时间上你却只能从过去到将来,是退不回去的!不过话又说回来,即使空间和时间有上述区别,我们仍然可以将时间作为物理世界的第四个方向要素。不过,要注意时间与空间又是不一样的!

要把时间看成空间三维多少有些等效的第四维,会碰到一个相当困难的问题。即度量长、宽、高和度量时间的单位是不同的,因为度量长、宽、高是用“米”,而度量时间是用“秒”。在这个问题上,人们找到了一个比较长度和时间间隔的合理方法。人们想到把距离表示成某种交通工具走过这段距离所需要的时间。因此,如果人们同意采用某种标准速度,就能用长度单位来表示时间间隔,反之亦然。

显然,我们选用来作为时空的基本变换因子的标准速度,必须具有不受人类主观意志和客观物理环境的影响,在各种情况下都保持不变这样一个基本的、普遍的本质。在物理学中已知的唯一能满足这种要求的速度有且只有“光在真空中的传播速度”(即光速)。也称它为“物质作用的传播速度”。因为任何物体之间的作用力,无论是电的吸引力还是重力,在真空中传播的速度都是相同的。

法国物理学家斐索(Fizeau)第一个测定了较为精准的光速为每秒31.5万千米(而令人满意的数据是2.99776×108 m/s,或者2.99792×108 m/s)。

人们量度天文学上的距离时,由于数据都比较大或者非常大,如果以千米写出来,可能要写一满页纸(当然是十分不方便的),所以用速度极高的光作为标准就显得十分方便了。例如：

即1光年约等于10万亿千米。

采用“光年”这个词表示距离,实际上已把时间看作一种尺度,并且使用时间单位来度量空间了。同样,我们也可以将这种表示法反过来,得到“光千米”“光英里”这类名称,可以推广于“光米”“光英尺”等(1英里≈1.609km,1英尺≈0.305m)。

它们的意思就是指光线走过1km或1m路程所需要的时间。如：1光米=0.0000000033s;1光千米=0.0000033s。(www.daowen.com)

下面我们来说说闵可夫斯基空间与四元轴“宇宙”,普通的四维空间可以用(x,y,z,t)表示。

我们已经看到,时间和空间组成的“宇宙”已经不是欧氏几何的了,在其中纯空间的勾股定理已经不成立了。

闵可夫斯基引入了虚数到时间轴上,四维“宇宙”(空间)就可以使用(x,y,z,ict)表示(这里的,c表示光速)。

由于时空的相对性研究,使用了“虚数”来表示时间轴,这便是“闵可夫斯基空间”。

所谓“虚数”并不是真正“虚”的,只不过它不同于“实数”罢了。正如我们称为“无理数”的数,并不是“不可理解的数”或者是“没有道理的数”,它只不过不同于“有理数”而已。同样,“负数”并不是“缺少什么”的数,而是为了人们使用的方便而产生的。只是人们在研究时空问题时形成了用各种数来描述自然的概念罢了。

例如我们研究发生在某地、某时的某一事件,使用了如下的四维时空坐标：第一坐标：x=3200 m,第二坐标：y=400 m,第三坐标：z=936m,第四坐标：t=8×1011光米。

现在我们可以定义四维距离是所有四个坐标距离的平方和的平方根了,因为虚数的平方总是负数,所以在数学上采用闵可夫斯基坐标的普通勾股定理表示成的式子,和采用爱因斯坦坐标时似乎不太合理的表达式是等价的。

人们之所以放弃古典的时空观念,并把时间和空间结合成单一的四维体系,是因为在科学实验中不断发现了许多不能用独立的时间和空间这种古典概念来解释的事实。

从四维几何学的观点出发,一切运动物体在以相同速度运动时都会收缩同样的长度,这是因为时空坐标系的旋转使物体的四维长度在空间坐标上的投影发生了改变。从运动着的系统上观察事件时,一定要用空间和时间轴都旋转一定角度的坐标来描述。请记住一个要点：物体的长度缩短仅仅和两个坐标系统的相对运动有关。时空坐标系的旋转,不仅影响了长度,也改变了时间间隔。可以证明,由于第四个坐标具有特殊的虚数本质,当空间间隔变短的时候,时间间隔就会增大(即时间变慢了)。