在远古的曙光中,人类的祖先在洞穴里醒来,他们可能已经感受到了一种熟悉的节奏——那是自然界的周期韵律,是太阳的规律升起。在那数千年前的黎明,人类对于时间的无尽探索就此展开。
现如今,我们已经了解到,昼夜的交替源自地球的自转,四季的轮回与地球绕太阳的公转有关,月亮的圆缺影响着月份。现代社会,手机的时间与网络同步,网络时间又与原子钟保持一致。时间的精度极高,每个人都拥有着等速的时间,即使你拥有比他人更多的财富,时间也不会因此而为你加速。
科技的不断发展使我们认识到,地球的公转周期正处于缓慢的变化之中。恐龙时代的地球,自转速度比今日更快,而月球持续用潮汐力对地球自转变慢。
设想一下,如果地球自转一圈的时间缩短至22小时,甚至10小时,将会怎样?那时,天体的周期将不再能作为计时的标准。时间的本质究竟是什么?是自然物理法则中的固有属性,还是人类所构想的抽象概念?
亚里士多德曾将时间定义为运动的特性,是变化的尺度。他认为时间并不独立存在,而是与变化紧密相连。换言之,时间是对变化过程的度量。由此,我们逐渐形成了速度的概念,即物体在单位时间内运动变化的快慢。
那什么是快,什么是慢呢?以汽车为例,坐在飞驰的汽车里,你与汽车相对静止,但对于路边的行人,你和汽车的速度极快。所以,速度的感知取决于观察者和所选的参考系。伽利略的相对性原理被牛顿继承并发展为经典物理学的一部分。既然速度具有相对性,那么时间是否也是相对的?
假设时间是绝对的、独立于一切存在的,并且均匀流逝。正如牛顿在《自然哲学的数学原理》中所描述:
“绝对的、真实的、数学的时间,由其本质决定,是均匀地流逝着的,与任何外在的事物无关,因此与时间的任何变化或测量方式(如时、日、月、年)无关。”
在这一观念中,时间与空间的三维独立存在,互不关联,时间是独立的一维。在这种绝对的时间观里,宇宙中的所有事件都是同时发生的。
然而,想象一下,在1万光年之外的星球上,有人打开了一瓶可乐,而你在地球上也打开了一瓶,你们互相通过遥远的距离注视着对方。你打开的瞬间,他真的也同时打开了吗?
实际上,如果在你们之间有一位观察者,同时看着你们,那么打开汽水瓶的事件对他来说是同时发生的,因为光携带着你们的行动信息同时传到了他那里。但对你来说,看到他打开汽水瓶的动作需要等待1万年,因为光需要这么长时间才能把信息传到地球。
如果按牛顿的理解,光速是无上限的,那么你打开汽水瓶的一刹那,光可以瞬间传遍整个宇宙。但现实并非如此,因为光速是有限的,它打破了事件的同时性。
此外,我们再来谈谈尺度。我们用英里、公里等单位来衡量长度、高度和宽度,尽管单位不同,但我们可以进行转换,因为有一个统一的标准——例如1厘米、1米的长度是固定的,质量等其他单位也一样。我们可以描述一个陨石的半径和质量,在外星人看来,他们也会用相同的数值来描述这个陨石。然而,如果讨论速度,答案会因观察者的不同而异。例如,如果陨石与他们的星球速度相同、方向一致,那么陨石对他们来说是静止的,但对你来说它是在运动的。
为了统一时间,我们需要一个固有的、永恒不变的量。假设宇宙中心存在一个相对于宇宙绝对静止的小石头,那么所有速度都可以以此为参照,一切运动变化都可以得出绝对速度。然而,现实中并没有这样的小石头,宇宙中的引力错综复杂,暗物质、暗能量等因素影响着微观世界中小石头的分子、原子及电子等基本粒子的运动。
1905年,爱因斯坦提出了一种作为参考标准的“小石头”,即光速C。无论观察者位于何处,光在真空中的速度都是一个恒定值。即使你驾驶小车以接近光速的速度追赶一道光,这道光仍会以C的速度远离小车,路边的观察者也会看到同样的光速C。因此,光速在宇宙中是恒定的,就像长度单位一样,是速度的“标杆”,即光速不变原理。
有了光速不变原理,我们再来探讨同时性:
假设一位观察者坐在高速行驶的火车中间,另一位观察者站在轨道旁。火车中央发出一道闪光,对于火车上的观察者来说,由于光速不变,光线会同时到达火车的前后两端。
但对于站在轨道旁的观察者而言,火车的后端正在接近光源(追赶),而前端则正在远离光源。由于光速有限,根据光速不变原理,光线到达后端的距离比到达前端的距离要短。因此,闪光会先到达火车后端,后到达前端,对外部观察者来说,这是两个不同时间发生的事件。
对于以不同速度运动的观察者来说,这种时间上的差异被称为时间膨胀,是由“光速不变原理”引起的。它表明时间是相对的,且时间和空间无法分离。光速不变原理连接了时间和空间,因为谈到时间就必须提及这把“时间标尺”——光速。光速是一种物理量,而光本身与时间并没有必然联系,并且光会在引力场中弯曲。