时空是真实的吗？
当我们大多数人想到宇宙时，我们会想到宇宙距离很远的物体。物质在自身的引力作用下坍塌而形成诸如星系之类的宇宙结构，气体云收缩而形成恒星和行星。恒星通过核聚变燃烧燃料来发光；光在整个宇宙中传播，照亮它所接触的任何东西。但是，除了宇宙中的物体之外，宇宙还有更多的东西。还有时空结构，它具有一套自己遵循的规则：广义相对论。物质和能量的存在使时空的结构弯曲，弯曲的时空本身告诉物质和能量如何在其中移动。但是，时空到底是什么，是“真实”的东西，还是仅仅是计算工具？这是Dave Drews的询问，他想知道：
“时空到底是什么？它是像原子之类的真实事物，还是仅仅是用来描述质量如何产生的数学构造？重力？”
这是一个很好的问题，也是一个棘手的问题。此外，在爱因斯坦问世之前，我们对宇宙的理解与今天的概念大不相同。让我们回到宇宙之前，我们甚至没有时空的概念，然后回到今天。
从根本上讲，我们长期以来一直认为，如果您掌握了宇宙中的所有内容并将其切成越来越小的组成部分，那么最终您将获得不可分割的东西。从字面上看，这就是“原子”一词的意思：源自希腊语ἄτομος：无法切割。关于这个想法的第一张唱片可以追溯到2400年前的Abdera德cri克利特（Democritus of Abdera），但似乎可以追溯到更远。这些“不可切割的”实体确实存在；每个被称为量子粒子。尽管我们为元素周期表中的元素取了“原子”这个名字，但实际上它们是真正不可分割的亚原子粒子，例如夸克，胶子和电子（以及原子中根本没有的粒子）。
这些量子相互结合，构成了我们在宇宙中所知的所有复杂结构，从质子到原子再到分子再到人类。但是，无论我们处理哪种类型的量子-物质或反物质，大质量或无质量，基本结构或复合结构，在亚原子或宇宙尺度上，这些量子仅存在于与我们相同的宇宙中。
这很重要，因为如果您希望宇宙中的“东西”彼此做事-相互作用，绑定在一起，形成结构，传递能量等，那么必须有一种方法可以解决宇宙中存在的不同事物。宇宙相互影响。就像在一场戏中，您要充实所有角色，准备好扮演所有演员，准备好穿着所有服装，以及写下并记住所有台词一样。唯一缺少的是舞台，但这对于演出来说是非常必要的。
在爱因斯坦出现之前，舞台是由牛顿设置的。宇宙中的所有“角色”都可以用一组坐标来描述：三维空间中的位置（位置）以及时刻（瞬间）。您可以像笛卡尔网格一样设想它：具有x，y和z轴的三维结构，其中每个量子也可以具有动量，将其在空间中的运动描述为时间的函数。时间本身被认为是线性的，总是以相同的速度经过。在牛顿的照片中，时空都是绝对的。
但是，在19世纪后期，放射性的发现开始使牛顿的情况令人怀疑。原子可以发射接近光速的亚原子粒子，这一事实使我们兴奋不已：当粒子以接近光速的速度运动时，它所经历的时空与慢速运动或静止时不同。
不稳定的粒子在静止时会很快衰减，它们越接近光速移动，它们的寿命就越长。这些相同的粒子行进的距离比其衰变之前的速度和寿命所指示的要大。而且，如果您尝试计算运动中的粒子的能量或动量，则不同的观察者（即，观看粒子并相对于其以不同速度移动的人们）会计算出彼此不一致的值。
牛顿的时空观念一定存在缺陷。在接近光速的速度下，时间会膨胀，长度收缩，能量和动量实际上取决于帧。简而言之，您体验宇宙的方式取决于您通过宇宙的运动。
爱因斯坦是相对论概念的重大突破的负责人，它确定了哪些量是不变的，并且不会随观察者的运动而变化，而哪些是与帧有关的。例如，所有观察者的光速都一样，任何物质量子的其余质量也是如此。但是，您在两点之间感知到的空间距离在很大程度上取决于您沿着连接这些点的方向的运动。同样，时钟从一个点移动到另一个点时的运行速度也取决于您的运动。
牛顿认为，空间和时间不是绝对的，但不同的观察者对它们的体验却有所不同：它们是相对的，这就是“相对性”这个名字的来源。此外，在任何特定的观察者如何体验空间与他们如何体验时间之间存在特定的关系：在爱因斯坦的前教授赫尔曼·明可夫斯基（Hermann Minkowski）提出了狭义相对论之后的几年中，这些东西就被放在一起了。包含时空的统一数学结构：时空。正如Minkowski自己所说，
“此后的空间本身和时间本身注定要淡入阴影，只有两者的一种结合才能保持独立的现实。”
时至今日，当我们忽略重力时，这个时空仍然是我们通常使用的舞台：Minkowski空间。
但是在我们真正的宇宙中，我们确实有万有引力。引力不是立即作用于整个空间的力，而是仅以无质量量子以光速移动的相同速度传播。 （是的，引力的速度等于光的速度。）狭义相对论中制定的所有规则仍然适用于宇宙，但要将引力带入褶皱，还需要做一些额外的工作：时空本身具有内在的概念它的曲率取决于其中物质和能量的存在。
从某种意义上说很简单：当您将一组演员放在舞台上时，该舞台需要承担演员本身的重量。如果演员足够重，并且舞台不是十分坚固，则舞台本身会由于演员的存在而变形。
时空也有相同的现象：物质和能量的存在使它弯曲，而曲率会影响距离（空间）和时钟运行的速率（时间）。而且，它以复杂的方式影响着两者。如果您计算物质和能量对时空的影响，则“空间”效应和“时间”效应是相关的。相对于我们设想的狭义相对论的三维网格线，这些网格线现在在广义相对论中是弯曲的。
如果愿意，您可以将时空概念化为纯粹的计算工具，再也没有比这更深入的了。从数学上来说，每个时空都可以用度量张量来描述：一种形式主义，可以让您计算如何以明确定义的方式存在任何场，线，弧，距离等。该空间可以以任意方式平坦或弯曲。空间可以是有限的或无限的；该空间可以打开或关闭；该空间可以包含任意数量的尺寸。在广义相对论中，度量张量是四维的（具有三个空间维和一个时间维），而决定时空曲率的是物质，能量和其中的应力。
用简单的英语来说，您的宇宙内容决定了时空是如何弯曲的。然后，您可以获取时空曲率，并使用它来预测物质和能量的每个量子将如何在宇宙中移动并演化。广义相对论的规则使我们能够预测物质，光，反物质，中微子，甚至是引力波将如何在宇宙中运动，并且这些预测与我们观察和测量的结果精确地吻合。
不过，我们无法衡量的是时空本身。我们可以测量距离，也可以测量时间间隔，但是这些只是间接的时空探测。我们可以测量与我们互动的任何事物-我们的身体，我们的仪器，我们的检测器等-但只有在两个量子在时空中占据相同点时才会发生互动：当它们在“事件”中相遇时。
我们可以测量时空弯曲对宇宙中物质和能量的每一种影响，包括：
由于引力效应而产生的额外轨道进动，其作用超出了牛顿的预测，
当光更深地进入引力场时如何获得能量，而当光从引力场中爬出时如何损失能量，
还有很多很多但是，我们只能测量时空对宇宙中物质和能量的影响，而不能测量时空本身，这一事实告诉我们，时空的行为与纯粹的计算工具并无二致。
但这并不意味着时空本身并不是一个物理上真实的实体。如果您有演员表演某个剧本，则您有理由将该剧本发生的地点称为“他们的舞台”，即使这仅仅是一个田野，平台，裸露的地面等。失重的空间，您只需注意，他们正在使用其自由落体的参考框架作为舞台。
在物理宇宙中，至少据我们所知，没有时空就不能存在量子或它们之间的相互作用。无论时空存在于何处，物理学定律也是如此，支撑一切的基本量子场也是如此。自然。从某种意义上说，“虚无”是空时空的真空，谈论无时空的情况，至少从物理学的角度讲，就像谈论空间之外的“何处”一样，是荒谬的。在时间范围之外的“时间”。这样的事情可能存在，但我们对此没有物理概念。
也许最有趣的是，当涉及到时空的本质时，还有很多问题尚未得到解答。空间和时间本身是量子的还是离散的，它们本身被划分为不可分割的“块”，还是连续的？引力在本质上是像其他已知作用力一样本质上是量子的，还是某种程度上是非量子的：一种经典且连续的结构，一直到普朗克尺度？如果时空不是广义相对论规定的任何时间，它有什么不同，我们将以什么方式检测到它？
但是，尽管时空使我们能够预测和了解所有事物，但它与原子的存在并不相同。您无法采取任何措施直接“检测”时空；您只能检测到时空中存在的物质和能量的单个量子。我们已经找到了以爱因斯坦广义相对论的形式描述的时空，它可以成功地预测和解释我们所观察到或测量到的每一种物理现象，但要精确到它是什么，以及它是否是“真实的”-这不是科学尚未找到答案的问题。
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