據國外媒體報導，大多數人在一生中的某個時刻也許都思考過這樣一個問題：“兩點之間最短距離是多少？”大多數人也許都會根據直覺，得出阿基米德在兩千多年前得出的同一個答案：兩點之間線段最短。

如果你拿出一張紙，把它鋪平，在上面任意兩處畫兩個點，你都能用任意一條線條、曲線、或你能想到的任何幾何路徑將它們連接起來。只要這張紙保持鋪平的狀態，不存在任何彎折或扭曲，那麼將兩點連接起來的線段永遠都是它們之間的最短距離。

你在宇宙中的位置不僅可以用空間坐標來描述、還能用時間坐標來描述。在空間維度上移動時，在時間維度上不可能不移動。

宇宙中的三個空間維度正是這麼運作的：在平面上，連接兩點的線段便是兩點之間的最短距離。無論你如何改變兩點的相對位置，這條規則都成立。但我們的宇宙不僅包含三個空間維度，而是由四個時空維度構成。你很可能認為，三個空間維度加一個時間維度，便構成了時空。這話說得也沒錯，但真實情況還不止於此。畢竟，兩個時空事件之間的最短距離可不是一條線段。

我們一般會用移動的距離描述兩點之間的距離，如圖中連接AB兩點的線條。但兩點之間最短的距離還是將兩點連接在一起的線段。不過這只對空間距離成立。

對大多數人來說，首次接觸“兩點之間線段最短”這一概念的契機都是勾股定理。在你的印像中，勾股定理也許只是一條與直角三角形有關的定理，即兩條短邊的平方和等於長邊的平方。用數學語言來表述，假如兩條短邊分別為a和b、長邊為c，則三者之間的關係式為a² + b² = c²。

勾股定理的形象化表達有很多種方式。但如果用數學方式進一步擴展勾股定理，並非所有形象化表達都同樣有用。

但假如不從純數學角度、而是從距離角度來理解這條定理的話，就相當於你先在你所處的空間維度上移動一段距離a，然後在另一個與之正交的維度上再移動一段距離b，則根據勾股定理，此時你離出發點之間的距離便是c。換句話說，只要兩點之間的距離在兩個維度上的分量分別為a和b，則平面上兩點之間的距離c = √（a² + b²）。

空間中兩點之間的距離等於兩點間距離在x、y、z軸上分量的平方和的平方根。

當然了，在我們的宇宙中，我們生活的空間並不只是一張鋪平的紙。宇宙中不僅有長度和寬度（或者說x方向和y方向），還有深度（z方向）。要想算出空間中兩個點之間的距離，方法和二維平面是一樣的，只不過多了一個維度而已。不管這兩個點在x、y、z方向上的分量是多少，都能算出兩點之間的距離。

如圖可見，構成雙行星系統的兩顆行星之間的距離是固定的，無論坐標系如何變化、或這些行星在太空中如何旋轉，兩者之間的距離都始終不變。

只不過，由於多了一個維度，兩點之間的距離d變成了√（x² + y² + z²）。這個等式看上去可能有點嚇人，但它的意思其實很簡單：任意兩點之間的最短距離都是由連接兩點的直線決定的。

在“兩點之間線段最短”這一關係中，有一點很有意思、也很重要：無論你如何改變x、y、z三個維度的形象化呈現，這一關係都同樣成立。你可以隨意改變這個坐標系的朝向，只要x、y、z三個方向保持相互正交即可；也可以讓兩個點朝任意方向、按任意幅度旋轉，兩點之間的距離都不會改變。

用攝像頭進行動作預測就是將時間視為一種維度的實際應用。

當然，如果你改變坐標軸的方向、或是旋轉兩點之間的線段，那麼各個方向上分量的數值也會隨之改變，長度、寬度和深度之間的相對關係也會有所變化。但兩點之間的距離始終維持不變，因此我們稱其為“不變量”。

接下來，讓我們除了空間之外、把時間也考慮進去。你可能會想，既然時間也是個維度，那麼時空中兩點之間的距離一定也能用同一種方法計算出來。例如，假如用t代表時間，你也許會認為時空中兩點之間的距離d=√（x² + y² + z² + t²）。

圖為光錐，描述了到達和離開時空中某一點的全部光線。你在時空維度上運動得越多，在時間維度上運動得就越少，反之亦然。只有在你經過的光錐中發生的事件才能對你造成影響，也只有在你未來光錐範圍內的事件才能被你感知。

畢竟，我們在從二維擴展到三維時也是這麼推算的，只不過這次是從三個維度增加到四個維度而已。這種想法是很合情合理的，並且假如我們有四個、而不是三個空間維度，現實也的確會是這樣。

但我們並沒有四個空間維度，只有三個空間維度加一個時間維度。並且無論你的直覺如何，時間都不僅是“另一個維度”這麼簡單。

作為一個維度，時間與空間有兩點區別。第一點區別比較簡單：如果不設法將時間和空間相互轉化，就不能將兩者放在同一基準之上。幸運的是，愛因斯坦的相對論揭示了距離與時間之間存在一項重要的、根本性的聯繫：光的速度、或任何沒有靜止質量的粒子在宇宙中運行的速度。

左圖描述了時間膨脹效應，右圖描述了長度收縮效應。當你的運動速度接近光速時，時間會膨脹到無窮大、就好像時間再也不會流逝一樣，長度則會縮短到無限小。

光在真空中的運動速度為每秒299792458米。借助這個基本常量，我們便可以將空間運動與時間運動聯繫起來。我們使用諸如“一光年”這樣的說法時，就是在用時間來描述距離，一光年代表光在一年中行進的距離。而如果我們要將時間轉化為距離，則需要將時間乘以真空中的光速。

但時間與空間之間的第二點區別就要難理解得多了，就連19世紀末到20世紀初最偉大的科學家們都一度對此困惑不已。其核心理念如下：在宇宙中，我們都同時在空間和時間維度上運動。假如我們在空間中靜止不動，我們在時間中的運行速度就是“每秒鐘1秒”。但關鍵在於，我們在空間中的運動速度越快，在時間上的運動速度就越慢。而其它維度之間的關係可不是這樣的。例如，你在空間維度x上的運動完全獨立於你在y和z維度上的運動。但你在空間中相對其他任何觀察者的運動都決定了你在時間維度上的運動。你在其中一個維度（空間或時間）上運動得越多，在另一個維度上運動得就越少。

圖為由光在兩面鏡子之間來回反射所定義的“光鐘”，它可以為任意一名觀察者定義時間。雖然兩名觀察者對時間流逝多少的感知也許不同，但他們都認同宇宙的基本法則和常量，比如說光速。對靜止不動的觀察者而言，時間的流逝速度是正常的。但在這名觀察者看來，另一名快速運動的觀察者手中鐘錶的走動速度會慢很多。

因此，愛因斯坦的相對論提出了“時間膨脹”和“長度收縮”這樣的概念。如果你的運動速度相對於光速而言非常慢，那麼你是不會注意到這些效應的。只要是地球上能達到的速度，時間的運動速度似乎永遠都是“每秒鐘1秒”，同樣的一段距離對每個人而言似乎也都完全相同。

但一旦你達到了光速（或者你與某個物體之間的相對速度接近光速），你就會注意到，該物體的長度在相對運動的方向上發生了收縮，時間流逝的速度似乎也比你戴的表慢很多（即時間發生了膨脹）。

愛因斯坦意識到，造成這種現象的原因其實很簡單：因為光速對所有觀察者來說都是相同的。假設某隻鐘錶的時間是由一束光在兩面鏡子之間來回反射一次的時間決定的，那麼當這只鐘錶以接近光速運行時，從你的角度來看，它一定走得比你的表慢很多。

但這裡還存在一個更深層次的問題，就連愛因斯坦最初也被難倒了。假如將時間當做一個維度，用時間乘以光速，就可以按我們之前定義距離的方式、定義出一段“時空間隔”，只不過這個數字不是實數、而是虛數。既然虛數為√（-1），這段時間間隔d便等於√（x² + y² + z² – c²t²）。請注意，時間坐標前面不是加號，而是減號。

圖為雙曲坐標系，其兩個軸之間的數學關係與傳統的網格狀笛卡爾坐標系相比截然不同。

換句話說，從“空間運動”向“時間運動”的轉換也是一種旋轉變換，但這並不是在笛卡爾空間坐標系（即x、y、z均為實數）中的旋轉，而是在雙曲時空坐標系中的旋轉。在雙曲坐標系中，假如空間坐標均為實數，那麼時間坐標一定是虛數。

巧合的是，最先把這些聯繫在一起的是愛因斯坦之前的老師，赫爾曼•閔可夫斯基（Hermann Minkowski）。他曾在1907和1908年指出：“從此以後，孤立的空間和孤立的時間都會消失、變為幻影，只有二者的結合才能保證真實的存在。”

有了閔可夫斯基嚴謹的數學計算做背書，時空的概念不僅就此誕生，而且從此長存。

最了不起的是，愛因斯坦雖然沒能藉數學手段弄清時間維度與空間維度之間的關聯，但仍然得出了這一關鍵的物理學結論。增加在空間維度中的運動便會減少在時間維度中的運動，反之亦然。對時空進行的所有測量都只對觀察者有意義，並且取決於觀察者與被觀察物之間的相對運動。

不過，時空間隔始終是個不變量。無論觀察者是誰、運動速度有多快，任何物體在時空中的整體運動對任何觀察者而言都是相同的。從某種程度上來說，閔可夫斯基對相對論的評價使得相對論的成功更加錦上添花。他曾對自己後來的學生馬克斯•玻恩（Max Born）說：“相對論對我來說是個巨大的驚喜。愛因斯坦還是我學生的時候，是個名副其實的懶骨頭，對數學根本不願意費心。 ”幸運的是，在物理學領域，宇宙才是最終的仲裁員，不受任何人的意見所左右。