相对论中的光锥是什么？时空互换是什么意思？

想象你点燃了一支蜡烛，蜡烛发出的光向四周传播，形成了一个三维气泡，你会被这个气泡包围，且永远无法逃脱这个气泡，这是因为你的速度不能超过光速。再想象一下，如果我们只能感知二维空间的切片，此时的气泡就会生成不断增大的圆圈，将这些圆圈堆叠就会形成一个锥形，而这个锥形被物理学家称之为光锥。

时间、空间、因果关系这些物理学中最为基本、最为深奥的事物都可以由光锥来描述。光锥是爱因斯坦相对论中最为重要的结构，尤其是它制定了宇宙中最根本的法则：因果关系。

我们想象，在距离地球很远的宇宙深处发生了一次超新星爆炸，在其爆炸事件的光锥未到达地球之前，这个事件将无法影响我们。换言之，在此之前我们无法了解爆炸的任何信息，这是因为任何信息传播的速度不能超过光速，而只有当光锥到达地球时，我们才能看到并感受到这次超新星爆炸事件，这就是所谓的因果关系，即一个事件触发另一个事件，都要受到光速的限制。

时间和空间的区别是什么？在太空中我们可以往任何方向移动，我们可以掉头或者遵循一个封闭的路径移动，但在时间线上，我们却无法掉头。时光荏苒，我们总是从过去走向将来，而光锥可以让我们很清晰的看到时间和空间的这种差异，因为我们永远无法逃脱这些光锥，连续的光锥迫使我们的方向就是将来，因此就有了“光锥之内便命运”这句带有哲学色彩的名句。

在相对论中，时间就是光锥的方向，而空间是与时间垂直的其他任何方向的集合。在没有引力的宇宙区域，时间和空间是笔直的，所有光锥的方向都是一致的。

但在大质量物体的周围，比如地球周围，当一个苹果掉落的时候，苹果会受到地球的引力向下坠落。然而引力不仅仅会影响到物体的本身，还会影响到光。苹果的光锥也会受到地球引力的影响而向下坠落，这些光锥的方向不再朝着同一方向，而是在重力的作用下变得弯曲。

因此在大质量的物体周围，光锥的方向是向行星中心弯曲的。或者说，时间会向行星的中心弯曲。从这个意义上去理解苹果之所以会坠落，是因为它的未来是指向地球中心的，质量扭曲了时空的几何形状，从而使得时空变得相对，这就是爱因斯坦的广义相对论。

但当引力变得非常大时，比如黑洞的周围，时空的弯曲会变得非常大，以至于在某一临界面，即事件视界面开始，所有的光锥都会完全朝下。如果我们在这个位置点燃一支蜡烛，它的光锥都会落向黑洞的中心。

要理解黑洞中时空的真正含义，我们需要考虑两种不同角色的观点，即坠入黑洞的宇航员和远距离的观察者。

对于远处的观察者来说，他受到的引力非常微弱，因此对他来说时间是一条从左向右的直线，黑洞视界面几乎一动不动。但从即将进入黑洞的宇航员角度来看，当他越靠近视界面，时间和空间就会变得越弯曲。

而当他到达视界面时，时间和空间倾斜了45度，宇航员的时间不再是一条从过去到未来的直线，而是一条沿着45度上升的对角线，就像是一个光锥的表面。黑洞的这种行为就类似是一个光锥，这也解释了为什么任何物体穿过视界面后将无法逃脱。

对于穿过视界面的宇航员来说，时间就会指向黑洞的中心，而这正是进入视界面之前穿过空间的方向，与外部相比时间和空间似乎是互换了角色。这就是我们常说的“时空互换”。

从这个意义上来说，黑洞视界不再是一个地方，而是宇航员过去的一瞬间。黑洞的中心不再是一个点，而是宇航员未来的一个事件。所以通向奇点是任何物体通过事件视界的最终命运。