相對論中的光錐是什麼？時空互換是什麼意思？

想象你點燃了一支蠟燭，蠟燭發出的光向四周傳播，形成了一個三維氣泡，你會被這個氣泡包圍，且永遠無法逃脫這個氣泡，這是因為你的速度不能超過光速。再想象一下，如果我們只能感知二維空間的切片，此時的氣泡就會生成不斷增大的圓圈，將這些圓圈堆疊就會形成一個錐形，而這個錐形被物理學家稱之為光錐。

時間、空間、因果關係這些物理學中最為基本、最為深奧的事物都可以由光錐來描述。光錐是愛因斯坦相對論中最為重要的結構，尤其是它制定了宇宙中最根本的法則：因果關係。

我們想象，在距離地球很遠的宇宙深處發生了一次超新星爆炸，在其爆炸事件的光錐未到達地球之前，這個事件將無法影響我們。換言之，在此之前我們無法瞭解爆炸的任何資訊，這是因為任何資訊傳播的速度不能超過光速，而只有當光錐到達地球時，我們才能看到並感受到這次超新星爆炸事件，這就是所謂的因果關係，即一個事件觸發另一個事件，都要受到光速的限制。

時間和空間的區別是什麼？在太空中我們可以往任何方向移動，我們可以掉頭或者遵循一個封閉的路徑移動，但在時間線上，我們卻無法掉頭。時光荏苒，我們總是從過去走向將來，而光錐可以讓我們很清晰的看到時間和空間的這種差異，因為我們永遠無法逃脫這些光錐，連續的光錐迫使我們的方向就是將來，因此就有了“光錐之內便命運”這句帶有哲學色彩的名句。

在相對論中，時間就是光錐的方向，而空間是與時間垂直的其他任何方向的集合。在沒有引力的宇宙區域，時間和空間是筆直的，所有光錐的方向都是一致的。

但在大質量物體的周圍，比如地球周圍，當一個蘋果掉落的時候，蘋果會

受到

地球的引力向下墜落。然而引力不僅僅會影響到物體的本身，還會影響到光。蘋果的光錐也會受到地球引力的影響而向下墜落，這些光錐的方向不再朝著同一方向，而是在重力的作用下變得彎曲。

因此在大質量的物體周圍，光錐的方向是向行星中心彎曲的。或者說，時間會向行星的中心彎曲。從這個意義上去理解蘋果之所以會墜落，是因為它的未來是指向地球中心的，質量扭曲了時空的幾何形狀，從而使得時空變得相對，這就是愛因斯坦的廣義相對論。

但當引力變得非常大時，比如黑洞的周圍，時空的彎曲會變得非常大，以至於在某一臨介面，即事件視介面開始，所有的光錐都會完全朝下。如果我們在這個位置點燃一支蠟燭，它的光錐都會落向黑洞的中心。

要理解黑洞中時空的真正含義，我們需要考慮兩種不同角色的觀點，即墜入黑洞的宇航員和遠距離的觀察者。

對於遠處的觀察者來說，他受到的引力非常微弱，因此對他來說時間是一條從左向右的直線，黑洞視介面幾乎一動不動。但從即將進入黑洞的宇航員角度來看，當他越靠近視介面，時間和空間就會變得越彎曲。

而當他到達視介面時，時間和空間傾斜了45度，宇航員的時間不再是一條從過去到未來的直線，而是一條沿著45度上升的對角線，就像是一個光錐的表面。黑洞的這種行為就類似是一個光錐，這也解釋了為什麼任何物體穿過視介面後將無法逃脫。

對於穿過視介面的宇航員來說，時間就會指向黑洞的中心，而這正是進入視介面之前穿過空間的方向，與外部相比時間和空間似乎是互換了角色。這就是我們常說的“時空互換”。

從這個意義上來說，黑洞視界不再是一個地方，而是宇航員過去的一瞬間。黑洞的中心不再是一個點，而是宇航員未來的一個事件。所以通向奇點是任何物體透過事件視界的最終命運。

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