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導讀：對于我們這些虔誠的物理學家來說，過去、現(xiàn)在和未來的區(qū)分，僅僅意味著一種頑固的幻覺。

——阿爾伯特·愛因斯坦

作者：迪恩·博南諾（Dean Buonomano）

來源：大數(shù)據(jù)DT（ID：hzdashuju）

籃球比賽令人興奮的一點是，比賽的最后有時候會出現(xiàn)與時鐘的賽跑。在時鐘嘀嗒倒數(shù)至零、蜂鳴器響起之前，球員必須出手完成最后一記投籃。如果在比賽計時鐘歸零前離開了手，這次投籃就計入得分。

判斷這兩件事哪一件先發(fā)生，似乎是一個完全客觀的行為：球要么在蜂鳴器響起前離開手，要么沒有。然而，結(jié)果卻并非如此。

讓我們來做一個思想實驗：假設(shè)裁判判斷，制勝的那記投籃確實在球場另一端原子鐘倒數(shù)至零前離開了球員的手。運用某種高科技設(shè)備，裁判稍后證實，球員投出球的時候，時鐘上還剩完整的1納秒（即十億分之一秒）。

現(xiàn)在，讓我們假設(shè)，由于這是NBA總決賽的第7場比賽，一名宇航員正在通過望遠鏡觀看比賽，此時，他正置身一艘速度飛快的宇宙飛船，其飛行速度達到了1/2光速。?宇航員聽說這次投籃記入得分，忍不住對裁判罵了臟話，因為宇航員確定，球投出之前，時鐘就歸零了——也就是這次投籃得分不算數(shù)。

投籃是否算數(shù)，哪支球隊是真正的冠軍——這些存在分歧的報告與信息傳送到宇宙飛船所存在的時間延遲沒有關(guān)系，我們假設(shè)，各方都已考慮到了這些延遲。這兩種敘述僅僅是兩種同樣成立的現(xiàn)實，一種是獲勝的球隊是憑實力獲勝的，另一種是裁判誤判了比賽。

怎么會這樣呢？兩件事的發(fā)生順序，因觀察者的不同而不同，這有可能嗎？如果真是這樣，這對時間的本質(zhì)會有什么意義呢？為回答這些問題，我們必須深入探究愛因斯坦的狹義相對論。

01 狹義相對論

光看愛因斯坦謙遜的論文標題《論動體的電動力學》，誰也猜不到這將成為一篇改變科學進程的論文。愛因斯坦從兩條原則出發(fā)，推導出論文中提出的理論——狹義相對論。

第一條是，對所有恒速運動的觀察者來說，物理定律保持不變。?這一所謂的相對性原理，愛因斯坦借鑒自伽利略。

伽利略指出，在一艘以恒定速度平穩(wěn)運行的船里，觀察者不可能知道自己是否真的在運動——你說不定會聯(lián)想到，你曾在飛機上搖搖晃晃地醒來，一時分不清自己是在飛行中，滑行中，還是停在跑道上。

相對性原理帶來的結(jié)果是，我們總會根據(jù)與另一種東西的相關(guān)性來定義速度。當我們說汽車以每小時100公里的速度行駛，我們隱含的意思是，這是相較于地球上的靜止物體而言，比如地上插著的80公里限速標志。

但嚴格來說，并沒有正確或絕對的參考框架。相對迎面駛來的警車，汽車的速度將遠超每小時100公里；而且，說汽車處于靜止狀態(tài)，是限速牌正以每小時100公里的速度移動，也是同樣成立的。因此，某一物體行進的速度，是與選中的參考框架相關(guān)的。只不過，這里有一種例外的情況……

在真空中光速是恒定的，與光源的運動狀態(tài)無關(guān)。這是愛因斯坦的第二條原則。乍看起來，光速恒定的概念無傷大雅，但跟相對性原則結(jié)合到一起，就破壞了絕對時間的概念。

為了理解光速恒定的后果，讓我們首先在速度的常識概念上達成共識。如果你在以每小時100公里速度行駛的火車上，朝著火車的運動方向射出一顆子彈（槍支射出子彈的速度是每小時300公里），你會觀察到，子彈以每小時300公里的速度遠離你。

如果我站在火車站的平臺上目睹這一幕，我會（足夠符合直覺）測量到子彈的速度是火車的速度加上子彈的速度，即每小時400公里。?

接下來，讓我們考慮一種類似的情況，只是放入愛因斯坦第二條原則：光速的恒定性。你的火車現(xiàn)在以每秒100000公里（光速的1/3）的超高速度行駛，你朝著火車前方射出了一束激光。激光的最前端將以每秒300000公里的速度遠離你（大致相當于光速，用c表示）。

按理說，當你觀察到以每秒300000公里前進的光束時，我應該觀察到它的速度是火車的速度加上光速：每秒400000公里（1.33c）。然而，這將嚴重違反光速恒定的原則，即人人測量的光速都應該等于c，不管其自身速度是多少（它還違背了狹義相對論的一個相關(guān)的后果，即任何東西的速度都不會超過光速）。事實上，你和我都將報告說，激光光束完全以相同的速度行進。

在直觀的層面上，這十分令人困惑不解。你可以計算出，1秒鐘后，激光束的前沿超出你的火車300000公里了。因為觀察到光束以相同的速度行進，我能計算出光束在火車站前方300000公里，因為我知道你的火車以100000公里每秒的速度行駛，所以列車應該正位于軌道上的100000公里處。

因此，根據(jù)我的參考框架，列車和光束之間的距離，應該是兩個位置之間的差：300000-100000=200000公里。但你剛剛分明觀察到，光束在你前面300000公里！有點不對勁。

簡單地說，光速的絕對性，是犧牲時間和空間的絕對性換來的！我們的計算不匹配，因為我們并沒有以相同的方式體驗時間或空間。

1905年是愛因斯坦的“奇跡年”：在伯爾尼擔任專利員期間，他發(fā)表了4篇開創(chuàng)性論文。在狹義相對論論文中，他得出了一組方程，描述了時間膨脹（和空間收縮）與速度的函數(shù)。

有趣的是，這些方程式叫作洛倫茲變換，因為它們最先是由荷蘭物理學家亨德里克·洛倫茲（Hendrik Lorentz）描述的。但洛倫茲并沒有完全理解這些方程的后果，他也沒有意識到，它們可以從上文提到的兩條原則中推演得出。

有必要迅速看一眼洛倫茲時間變換的縮減版^注，因為它是時間歷史上最重要的時間方程式之一。這個等式只涉及代數(shù)，它把你搭乘火車期間時鐘給出的時間（t^you），轉(zhuǎn)化成了我站在火車站上時鐘給出的時間（t^me）（假設(shè)我們的秒表，都從你超過我的那一瞬間開始計時）。在等式中，v代表我們之間的速度，而常數(shù)c還是代表光速：

注該方程假設(shè)我們在t=0時同步手表，此時，我們置身同一個地方，我們在自己的坐標系中，將各自的位置定義為x^you=x^me=0。

因為c是極為巨大的數(shù)字，在日常速度下，v²/c²?將接近于零，并且分母將非常接近√1?，即1。因此，t^me將近似等于t^you。這正是我們的正常經(jīng)驗：我們所有的時鐘都以相同的速率行進并保持同步，因為即使我們正在移動，我們只是低速（相對于光速）移動。

但在接近光速的速度下，時鐘相對于彼此行進的速度不同?；氐侥阍谝惠v以1/3光速行駛的火車上的例子，按你的時鐘測量的1秒鐘（t^you=1）過后，t^me等于1.06秒。這樣的差異不算大，但如果你的旅行速度更接近光速，比如說v=0.999c，那么你的1年（t^you=1年），t^me就等于22年以上了。我們說，你的時間膨脹了：你才1歲，我就22歲了。?

第一批揭示時間膨脹的實驗之一，是在商業(yè)航班上攜帶原子鐘，并將它們與地球上的原子鐘進行比較。航班東向飛行（由于地球的自轉(zhuǎn)，飛行方向很重要），時鐘記錄了數(shù)百個小時。正如狹義相對論所預測，飛行中的時鐘比放在華盛頓美國海軍天文臺的原子鐘落后了大約億分之一秒。?

這項實驗，以及后續(xù)的其他許多實驗證實，時間不是絕對的。牛頓是錯的——時鐘時間并不會“均一流動，無關(guān)外部的任何東西”。

02 同時性的喪失

無論是擺錘的擺動，還是視交叉神經(jīng)元中的“周期”蛋白質(zhì)，時鐘時間總是通過變化來衡量，而變化是局部現(xiàn)象。某些事物的變化速度，會受局部環(huán)境的影響，這一點我們很容易接受。這差不多也就是我們發(fā)明冰箱的原因——冰箱里的西紅柿，比還留在菜攤上的同胞“老”得慢。

實際上，用鐘擺時鐘或者果蠅生物鐘測量的時間，同樣會因環(huán)境溫度而改變。但溫度對不同時鐘的影響不同——對某些時鐘，溫度完全沒有影響。例如，放射性同位素的衰減時間，在接近絕對零度時，也與正常情況差不多相同。

相反，速度對任何時鐘的運行，都有著絕對的、毫無商榷余地的影響。任何物理過程，無論是原子鐘還是人體，都會根據(jù)自身行進的速度，以更慢或更快的速率變化。這興許就夠讓人不解了，但愛因斯坦的狹義相對論還有一個更叫人困惑的后果。

讓我們回到列車和站臺的思想實驗，想象一切都發(fā)生在低速運行的常識世界。假設(shè)一輛行駛的火車中，射出了兩顆方向相反的子彈。你站在200米長的火車的中間，該火車以每秒100米的速度行駛，我站在站臺上（見圖9-1）。

▲圖9-1 牛頓的火車。按照牛頓定律，如果觀察者站在行進的火車中間，朝著相反方向射出兩發(fā)子彈（t=0），在所有觀察者眼中，火車的前后窗戶將在t=1秒時同時破碎。

火車車頭朝著我的方向駛來，你開了兩槍，子彈也以每秒100米的速度行進：一顆子彈朝向火車前窗，另一顆朝向后窗。從你的視角來看，子彈以相同的速度行進，必然會穿過相同的距離，因此，兩顆子彈將同時打碎火車前后的窗戶——就在你扣動扳機后正好1秒。

從我的視角來看，我會看到前進的子彈以每秒200米的速度移動（火車的速度加上子彈的速度），擊中前窗為1秒，因為子彈必然行進了200米（火車長度的一半，加上火車在1秒鐘行駛的距離）。我將觀察到，向后射出的子彈，以每秒100米（列車的速度）減去每秒100米（子彈的速度是負的，因為它跟火車運動的方向相反）的速度行進。

換句話說，我看到子彈停在半空中，而火車后面的窗戶撞上了子彈（如果我們假設(shè)這一切發(fā)生在真空狀態(tài)，發(fā)生在引力很小的星球上，那就最好不過了）。這還是需要1秒鐘，因為火車的后部距你手槍射擊的地方100米。

正如牛頓所預料，你和我將看到，火車的前后窗同時破碎。本例中，我們會說同時性是絕對的：你看到同時發(fā)生的兩件事，在我眼里也是同時發(fā)生的。

現(xiàn)在，讓我們再做一次類似的思想實驗，只是速度快得多，距離也遠得多（見圖9-2）。

▲圖9-2 愛因斯坦的火車。狹義相對論告訴我們，在極快的速度下，不同的觀察者將體驗到不同的空間和時間（所以，繪制時空圖會非常棘手）。火車前方窗戶抵達站臺上的觀察者時，將火車和站臺上的時鐘都設(shè)置為t=0。當火車上的和站臺上的觀察者面對面時，火車上的觀察者將看到兩扇窗戶同時破碎，但站臺上的觀察者將看到后窗先破碎，前窗卻仍保持完整。

你此刻正搭乘一輛很長很長的火車，你坐在火車中間，測得火車的長度是4400000公里，?行駛速度是光速的2/3：大約每秒200000公里（0.667c）。

跟之前一樣，當你的火車前端到達我處時，你用如今尚未發(fā)明的粒子槍開了兩槍，粒子槍的子彈同樣以每秒200000公里的速度行進。這些粒子子彈以相反的方向，朝列車兩頭的窗戶行進。

再說一遍，因為你的位置是在火車中間，你會看到兩扇窗戶同時破裂：按照你的時鐘，是在你開槍后正好1秒，因為兩顆子彈，按每秒200000公里的速度飛行1秒，必然行進了200000公里。

對我而言，由于火車后窗正以每秒200000公里的速度向子彈推進，我仍然會看到朝火車后方射出的子彈在半空懸停（因為火車的速度減去子彈的速度等于零）。

但在我的觀察中，朝前行進的子彈速度是多少呢？為了讓兩扇窗戶在我的視角里同時破碎，朝前的子彈必須在火車后窗到達后方子彈所需的等量時間內(nèi)，穿過等于火車全長的距離（初始的一半火車長加上火車行進的距離）。

由于朝前的子彈必須行進兩倍于朝后的子彈的距離，因此，它必須以遠高于光速的速度行進。但是，狹義相對論告訴我們，前向子彈的速度大約是每秒277000公里（0.92c）。很明顯，我不會見證前后窗戶同時破裂。也就說，你看到兩扇窗戶同時破碎，我卻看到后面的窗戶先破碎！

這種分歧，與所有傳輸延遲（與火車不同位置的信號到達你或我所需時間不同相關(guān)）絕對沒關(guān)系；?相反，這些看似矛盾的體驗，代表了兩種不同但同樣有效的現(xiàn)實。同時性（其實就是兩件事發(fā)生的順序）可以是相對的。?

03 時空

讓我們對這些思想實驗的結(jié)果再多做些探討。從你的參考框架看，在每一個瞬間，兩扇窗戶要么全是好的，要么全碎了。然而，在我看來，有一個瞬間，后窗碎了，前窗沒碎。這太讓人困惑了。兩扇窗戶在你看來都碎了，在我看來卻還有一扇沒碎，這怎么可能呢？就好像我們生活在不同的宇宙中一樣。

對這一難題的一種解答是時間的空間化，即塊體宇宙。如果我們假設(shè)，所有曾經(jīng)或?qū)⒁l(fā)生的事件，都永久地位于塊體宇宙中的某個點（一如永恒論的主張），那么，同時性的相對性看起來也就沒那么叫人費解了，這就像空間中的兩種物體，取決于你所在的位置，它們看起來有可能處于同一直線，也有可能并非如此。

如果你站在高速公路的一側(cè)，同側(cè)的兩根電線桿看起來在一條直線上，但如果你站在公路中間，它們就不在一條直線上了——這是個透視問題。

同樣，兩扇窗可以看起來是同時破裂的，因為從你在時空中的視角來看，它們“處于同一直線”，而從我的視角看，它們不“處于同一直線”。這就是為什么狹義相對論為永恒論提供了最具說服力的一種論據(jù)。?

有趣的是，愛因斯坦最初發(fā)表狹義相對論論文時，并未提出應該把時間想象成塊體宇宙的第四維。是愛因斯坦在蘇黎世的教授，赫爾曼·閔可夫斯基（據(jù)說他認為，愛因斯坦在學生時代是條“懶狗”）最早理解了狹義相對論對時空關(guān)系給出的激進暗示。

1908年，根據(jù)前學生的研究工作，閔可夫斯基大膽宣布：“從此以后，空間本身、時間本身，都注定要退居陰影之下，只有兩者的結(jié)合，才能維持獨立的現(xiàn)實?！?/span>

閔可夫斯基把時間和空間融合成了時空。他為愛因斯坦的狹義相對論設(shè)計了幾何重構(gòu)：在標準的空間三維度之外，加上了一個時間維度。閔可夫斯基的見解是：雖然空間和時間是相對的，但空間和時間的融合是絕對的。

如果你在宇宙飛船上展開了一場曲曲折折的航行，而我在地球上從遠處觀察你，那么等你回來的時候，對你到底走了多長時間、走了多長距離，我們的時鐘是不一致的，但對你在時空里行進了多少“距離”，我們的認識是一致的。

我們可以把閔可夫斯基的四維宇宙進行簡化，用圖表的橫軸代表簡化后的單個空間維度，時間維度用縱軸表示。保持靜止由沿著縱軸的運動構(gòu)成——時間在流逝，而我在空間中的位置不變。與此同時，你的宇宙飛船航行則以對角線運動為代表。

基于兩軸的位置變化，可以計算出時空中的行進距離——一個所有觀察者都認同的值。這一距離與所謂的“本征時間”（proper time）有關(guān)：你的飛船中時鐘所測量的時間。

狹義相對論之所以叫狹義相對論，是因為它適用于忽視了引力影響的簡化宇宙。在發(fā)表了狹義相對論之后，愛因斯坦用了10年時間，提出了一條更具普遍性的理論。這就是他的杰作——廣義相對論，他在其中確立了引力和加速度之間的等效關(guān)系。

牛頓的萬有引力定律描述了引力與質(zhì)量和距離之間的關(guān)系，但他對引力究竟是什么幾乎沒有提出什么見解。廣義相對論給出了一個驚人的答案：引力本身并不是一種力，而是時空的扭曲。閔可夫斯基將空間和時間聯(lián)姻為時空的做法，在廣義相對論中得到了進一步的確立。

有人認為，相較于狹義相對論，廣義相對論為永恒論提供了更有利的支撐論點，因為廣義相對論方程的一些解，給出了時間旅行的可能性——也就是說，從特定假設(shè)和初始條件開始，這些方程允許時間之間的前后跳躍。

對廣義相對論的詳細討論超出了本文的范圍，幸運的是，狹義相對論抓住了有利于永恒論和塊體宇宙的關(guān)鍵論點，足以滿足我們這里探討的目的。

過去、現(xiàn)在和未來同樣真實的觀念，嘲弄了我們對現(xiàn)實的感知。

關(guān)于作者：迪恩·博南諾（Dean Buonomano），加州大學洛杉磯分校神經(jīng)生物學系和心理學系的教授，并任學習和記憶整合中心的研究員，他經(jīng)常關(guān)于神經(jīng)科學受邀到一些媒體發(fā)表講座或訪談，包括《新聞周刊》《發(fā)現(xiàn)者雜志》《科學美國人》《洛杉磯時報》《科學家》《紐約客》等。

本文摘編自《大腦是臺時光機》，經(jīng)出版方授權(quán)發(fā)布。

硬核科普：什么是狹義相對論？它有哪些驚人結(jié)論？

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