爱因斯坦的困惑:什么是“同时”?

2017-09-30作者:张天蓉编辑:茹鑫

同时,是我们在日常生活中常用的词汇。“他们两人同时到达山顶”、“电视新闻同时在全国各地播出”……好像每个人都非常理解这个词表达的意思,不就是说两件事在同一时刻发生吗?


不过,什么叫“同一时刻”呢?这样说的意思首先是认为时间是一个绝对的概念,上帝在某处设立了一个大大的、精确无比的标准钟。然而,如果你深入考察下时间的概念,可能会使你越想越糊涂。时间是什么?正如公元4世纪哲学家圣·奥古斯丁对“时间”概念的名言:


“If no one asks me, I know what it is.If I wish to explain it to him who asks, I do not know.”


我把它翻译成如下两句:“无人问时我知晓,欲求答案却茫然。”


时间是绝对的,还是相对的?如果说它是绝对的,显然不符合相对性原理。上帝绝对准确的钟该放在哪里呢?地球上?太阳上?或是别的什么地方?这好像是又回到了地心说、日心说之争的年代。现代社会几乎每一个人都知道,无论是地球还是太阳,都只是茫茫浩瀚宇宙中一个小小的天体。所以,从一般现代人的常识来看,也似乎不应该存在一个绝对的时间。而爱因斯坦也正是深刻理解了时间的“相对性”的意义,才在创立狭义相对论的过程中,迈出了关键的一步。


爱因斯坦有一个广为人知的比喻:“和一位漂亮女孩在一起待上一小时,你会感觉像一秒钟;但如果让你在火炉子上待上一秒钟,你会感觉像一小时。这就是相对论。”尽管这的确是爱因斯坦所言,但在比喻中他指的是时间在心理上的相对性,而我们想要探究的,却是爱因斯坦探讨的时间在物理意义上的相对性。


狭义相对论中同时的相对性,是来自于相对论的两个基本假设:相对性原理和光速不变。


如果两个事件对某一个观察系来说是同时的,对另一个观察系来说就不一定是同时的。我们用图1-5-1中所示的例子来说明这个问题。如下的解释中,以承认相对性原理和光速不变为前提。



图1-5-1 同时的相对性


一列火车以速度v运动,站在车厢正中间的Alice,当经过地面上的Bob时点亮了车厢正中位置的一盏灯,向左和向右的两束灯光将以真空中的光速c分别传播到车尾A和车头B。在Alice看起来,灯到A和B的距离是相等的,所以两束光将同时到达A和B。但是,站在地面上静止的Bob怎么看待这个问题呢?


对Bob来说,左右两束光的速度仍然都是c,这是相对论的假设,无论光源是在运动与否都没有关系。但是,火车却是运动的。因而,A点是对着光线迎过去,B点则是背着光线逃走。所以光线到达A的事件应该先发生,到达B的事件应该后发生。也就是说,Alice认为是同时发生的两个事件,Bob却认为不同时。


刚才所述的相对论中对同时性的检验,是用光信号的传递来进行的。这是因为光在狭义相对论中具有独特的地位。根据狭义相对论的假设,真空中的光速对任何参考系,在任何方向测量都是一样的数值。在由此而建立的狭义相对论中,任何物体的速度都不可能超过光速,光是能够完整传递信息和能量的最大速度。换言之,如果火车上的Alice不是点亮了一盏灯,而是向左右射出子弹的话,两颗子弹相对于Bob的速度便不是一样的。事实上,光可以说是一种很神秘的物质形态,它不仅在狭义相对论中具有特殊地位,在整个物理学及其他学科中的地位也是独一无二的。至今为止没有发现任何超光速的、能够携带能量或信息的现象。也就是说,尚未有与相对论这条假设相违背的情形。如果将来的实验证实这条假设不对的话,爱因斯坦的理论就需要加以修改了。


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作者张天蓉
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