相对论中的“时间”

伤我心太深

　有人说，时间就是一个千古谜团,生活在这个谜团中的每一个人,既意识到时间的存在；但又没有哪一个人能够看见、抓住它。时间谜团还在物理学中形成了一个极有趣的三角关系：时间需要用空间和运动来测量。　　时间、空间和运动的这种相互测量的关系，曾使许多哲学家大伤脑筋。然而，物理学家却习惯于同它打交道。事实上，迄今为止，物理学中的许多最基本的成就，都来自于这方面的努力。牛顿（Newton，1642～1727，英国物理学家、数学家、天文学家）对科学的最大贡献在于他的运动如何随时间而变化的数学定义——“绝对时间”；以后，爱因斯坦（Albert Einstein, 阿尔伯特·爱因斯坦1879—1955德国物理学家）的“相对论时间”又揭示了时间如何随运动而变化的规律，打破了人们对于这个三角关系的常识性看法，从而变革了物理学。


　世界上第一个试图从物理学角度确定时间和运动关系的人，是古希腊的思想家亚里士多德（Aristotle公元前384年—公元前322年，是古希腊著名的哲学家、科学家和教育家）。亚里士多德生活在公元前四世纪，相当于我国的战国时代。他宣布：“只有当我们已经把握住运动时，我们才能领悟到时间。”、“我们不仅用时间来测量运动，也用运动来测量时间，因为它们是相互定义的。”
　　如果说，亚里士多德接近正确的描述了时间和运动的部分关系的话，那么在解释运动的性质和成因时，他的看法就成为悖论了。亚里士多德从自然界中表面“事实”出发，认为任何运动物体都具有趋向静止的自然趋势，一块抛起的石头会很快滚动而最终停止；马不拉马车，马车就停下不动。
　　亚里士多德由此引出了自己的理论：“运动速度直接正比于产生运动的力”。一架由两匹马拉的马车，“自然”要比由一匹马拉的马车快两倍。一块十公斤重的石头落下时的速度。“自然”要比五公斤重的石头落下时的速度快两倍，即“重的物体下落时，要比轻的物体快”，这就是亚里士多德悖（bei）论。

牛顿的“绝对时间”

　　牛顿比伽利略又前进了一步。牛顿认为，同亚里士多德的“理论”恰恰相反，如果没有什么别的东西阻止，运动着的物体决不会静止。下落的石头所以会落到地面不动，是因为受到地球的阻止；马车所以停下不走，是由于车轮同路面之间有摩擦力，在一条光滑水平的路面上，具有无摩擦轴承的马车，将会一直滚动下去。因此，牛顿指出，力对于物体的作用，只是使它的运动速度随时间发生变化。这个变化的量称为加速度，它正比于作用力的大小。这就是牛顿运动学第二定律。
　　牛顿的运动定律，连同他在1684年导出的万有引力定律，奠定了经典物理学的基础，对当时和后来的自然科学的发展都有很大影响，直到今天仍被广泛应用，继续发挥着巨大作用。但是，应该看到。牛顿定律是以这样的概念为基础的：用以测量运动的时间是一种均匀流逝的“绝对时间”。
　　什么叫绝对时间?牛顿在其1687年发表的《自然哲学的数学原理》一书中给出了如下定义：“绝对的、真实的数学时间，就其自身及其本质而言，是永远均匀流动的，它不依赖于任何外界事物。”牛顿的这种观点解释时间与运动的关系，在他自己的理论系统内也是自相矛盾的。因为他已经承认运动不是绝对的。既然如此。你怎么测量或觉察出绝对时间呢？
　　莱布尼兹（Gottfriend Wilhelm. Leibniz,1646~1716德国数学家、物理学家）认为，同时间相比。事件要更为基本；那种认为没有事物时间也会存在观点是荒谬的。在他看来，时间是从事件引出来的，所有同时性事件构成了宇宙的一个阶段。而这些阶段就象昨天、今天和明天一样，一个紧接着一个。莱布尼兹的这种相对时间的理论，在今天看来似乎比牛顿理论更能为人接受，因为它更符合现代物理学的发展。
　　直至20世纪初，人们还普遍认为存在着一个独一无二的、普遍适用的、不依赖于任何其它事物的时间体系。正因为这样，当爱因斯坦在1905年发现了时间理论中一个从未有人怀疑过的漏洞，从而推翻了这些假说以及基于这些假说的整个时间哲学时，物理学经受了一场地震。这个漏洞就是狭义相对论揭示的时间的相对性理论。

运动的相对性

　　提起相对论，多数人会感到敬畏，说它深奥难懂。这多少有些道理。因为它从根本上改变了作为人类思维活动基本要素的时间和空间的陈旧概念，而且又是以一种违返常识的方式去考虑问题。
　　自然界的结构有些是符合常识的，能为我们感觉所直接验证；但是它也有天生不符合常识的部分。为了正确地认识自然界，人们不得不作出不符合常识的考虑，因而我们今天也就不能不去了解相对论。为方便起见。我们先讲运动的相对性原理。这是人们的感觉能够直接验证的部分。
　　运动有没有相对性!答案是肯定的。运动与静止就是相对的。对于住在地球上的人来说，山脉、森林、村庄、房屋是静止的；但是，地球在绕太阳运动，相对于太阳来说，地球上的上述物体又是运动的，它们随地球一起运动。
　　在这里我们看到。要判断某物体是运动还是静止，必须选择另外一个物体作为参照物。如果两个物体相互之间在作匀速直线运动，那么在它们之间就没有一个唯一的、最有权威的观察者，还必须选择第三个物体作为参考。
　　这个被选来用作参考的物体，在物理学中叫参考系，又叫坐标系。习惯上，物理学家总喜欢选择不受力的作用的物体做参考系。这样的参考系就叫惯性参考系，或惯性坐标系，简称惯性系。当然，严格说来自然界中根本没有不受力的作用的物体，这样的惯性系是找不到的。但是，问题又必须解决。人们总不能长久地处于“公说公有理，婆说婆有理”的境况之中。因此，物理学家最后作出了这样的选择：当一个物体离开其它物体很远很远的时候，即受其它物体作用力影响很小很小的时候，就可以被当做近似的惯性系来使用。
　　早在十七世纪．伽利略就发现，在一个作匀速直线运动的实验室里，不可能通过力学实验来判断该实验室是否在作匀速直线运动。这同我们坐在一列匀速直线运动的火车里的情况是一样的，不参照路基两旁的树木或房屋等物体。你就不能判断另一列也作匀速直线运动的火车是运动还是静止。伽利略据此提出：在一切惯性系中，力学现象遵守同一力学定律。这就是运动的相对性原理，它是经典力学的基础。

尺缩钟慢效应

　　相对论诞生至今已有百年．一直倍受人们的关注，一方面是因为它在各个领域中取得巨大成就，另一方面是由于它自身所引起的争议颇多。由相对论的两个基本假设：即相对性原理及“光速不变”假设，所导致的一系列似是而非的结果(称为“佯谬 )，从它诞生起就一直引起了人们广泛的争论。
　　其中最著名的有时钟佯谬、潜水艇佯谬、哥德尔佯谬等。
　　相对论诞生之后，人们逐渐认识到不仅时间的测量有问题，空间的测量也存在问题。一根尺在不同的地方，长度是否一样，尺子在移动过程中长度会不会改变，都成了需要深思的问题。
　　在人们的日常观念中，认为“同时”是绝对的，两个事件是否同时发生，具有绝对意义。“同时”的相对性，与人们的日常观念大不相同，很难被接受。为什么我们通常感觉不到“同时”的相对性呢?那是因为，这种相对性只有在接近光速(每秒30万公里)运动时，才会明显表现出来。我们通常接触的汽车、飞机甚至火箭，运动速度都太小了，感觉不出这点差异。

　　由于同时的相对性，高速运动的尺，会在运动方向上缩短。高速运动的钟。与一系列静置的钟(已校准同步)相比会变慢。理解“同时”的相对性，是弄懂相对论的关键。
　　爱因斯坦的相对论认为运动的尺缩短是相对的，是一种时空效应，发生这种效应时，构成尺的原子结构和原子内部的电荷分布都不会发生任何变化。相对论认为，运动尺的收缩是相对的，两个作相对运动的刚尺，都会认为对方缩短，这是“同时”相对性的结果，与绝对空间没有关系。相对论认为根本不存在绝对空间。
　　运动时钟变慢也是相对的。两列平行放置、相对运动的钟，让对方的一个钟依次与自己的一系列钟比较，都会认为对方的(相对于自己运动的)钟变慢。这个效应已经被实验证实。

潜水艇接近光速时是浮还是沉？

　　一艘以接近光速行进的潜水艇，究竟会浮在海里还是会最后沉下去？这是一个悖论，是由爱因斯坦相对论引出的著名的“潜水艇悖论”。巴西科学家通过研究表明，它将沉入水底。
　　根据爱因斯坦的相对论，物体的长度在运动方向上会产生收缩。举例来说，一列以近光速飞跑的火车，在站台上静止的观察者眼中会变短；而在火车上的乘客看来，火车接近光速，后退着的站台却收缩了。
　　所谓“潜水艇悖论”指的是这样一种理论假想情况：首先假设一艘完全浸没在海里的潜水艇，相对海水静止时能不升不降地正好保持平衡，然后再假设它在与海面平行的方向上以接近光速行进。基于物体长度会在运动方向上收缩的相对论效应，在海面上相对于海水静止的船上的观察者看来，潜水艇本身会收缩，密度会变大，并最终下沉。但潜水艇上的船员们看到的却是飞速向后的海水在收缩，密度在变大，他们会得出结论认为，由于海水密度变大后产生更大浮力，潜艇将漂浮而上。按照相对论，两种看法似乎都没有错，潜艇到底是沉或浮的悖论由此而生。
　　巴西科学家指出，“潜水艇悖论” 之所以让人迷惑，是因为提出这个悖论时没有考虑海水重力场对潜艇的作用。在不同参照系下，相对海水静止的观察者和潜艇船员所处的重力场并不相同。他们通过严密的数学推理发现，从潜艇船员的角度来看，潜艇以接近光速运动的过程中受到的有效重力，实际上也比潜艇相对海水静止时要大。这一重力将超过由于海水密度变大而产生的浮力，最终导致潜艇下沉。

时间膨胀

　　时间膨胀是相对论效应的一个特别引人注意的例证，它是首先在宇宙射线中观测到的。我们注意到，在相对论中，空间和时间的尺度随着观察者速度的改变而改变。例如，假定我们测量正向着我们运动的一只时钟所表明的时间，我们就会发现它要比另一只同我们相对静止的正常走时的时钟走得慢些。另一方面，假定我们也以这只运动时钟的速度和它一同运动，它的走时又回到十分正常。我们不会见到普通时钟以光速向我们飞来，但是放射性衰变就像时钟，这是因为放射性物质包含着一个完全确定的时间标尺，也就是它的半衰期。当我们对向我们飞来的宇宙射线M作测量时，发现它的半衰期要比在实验室中测出的22微秒长很多。在这个意义上，从我们观察者的观点来看，M内部的时钟确实是走得慢些。时间进程拉长了，就是说时间膨胀了。

双生子佯缪

　　相对论中有一个著名的双生子佯谬，这个佯谬是相对论诞生初期，法国物理学家郎之万提出来的。该佯谬说，有双胞胎兄弟A与B，A一直生活在地球上，B乘宇宙飞船到外星球去旅行，回来时B将比A年轻。如果飞船加速到接近光速，然后再返回，B将比A年轻许多，可能A已是垂暮老人，B还很年轻。这种貌似天方夜谭的事情，真是可能的吗?相对论回答说，这是可能的，而且是千真万确的，星际旅行者返回时将比他留在地球上的同胞兄弟年轻。
　　现在让我们来解释这一佯谬。我们每个人都可以看作三维空间中的一个点，静止的人，上下前后左右都固定，在三维坐标系中就是一个不动的点。三维空间再加上时间，就变成了四维时空。由于时间总在不停地流逝，任何物体和人都必须与时俱进，所以三维空间中的静止的点，在四维时空中一定会描出一条线。留在地球上的双胞胎中的A相当于静止，描出的世界线是一条直线，星际旅行者B描出的世界线是一条曲线，两条线头尾相连，表示出发和回来都是同一时间和地点。
　　相对论认为世界线A的长度就是留在地球上的兄弟A经历的时间，B的长度就是做星际旅行的兄弟B经历的时间，两条线不一样长，也就是说，双胞胎兄弟二人经历了不同长度的时间。哪一个人经历的时间长呢?有人会说直线比曲线短，那A比B经历的时间要短啊。双生子佯谬不是说B比A年轻吗?怎么会反过来呢?其实，并没有反过来，你之所以认为B线比A线长，是上了伪欧几何的当。我们通常用的几何是欧氏几何，两点之间以直线距离为最短。但在相对论中，四维时空的几何不是欧氏的，而是伪欧氏的。在伪欧氏几何中，斜边的平方等于两条直角边的平方差，两点之间以直线距离为最长。所以曲线B比直线A短，B经历的时间也就比A短。双胞胎中的星际旅行者经历的时间比地球上的同胞兄弟经历的时间短。因此返航会面时，B将比A年轻。双生子佯谬是真实的效应，它可以使宇航员在有生之年到达非常遥远的星系。
　　1971年，美国海军天文台把四台铯原子钟装上飞机从华盛顿出发，分别向东和向西作环球飞行。结果发现，向东飞行的铯钟与停放在该天文台的铯钟之间读数相差59纳秒，向西飞行时，这一差值为273纳秒。虽然在这次试验中没有扣除地球引力所造成的影响，但测量结果表明，“双生儿佯谬”是确实存在的。

引力时钟

　　自然界中有四种基本力在起作用。它们是：引力、电磁力、核力和原子衰变时出现的弱作用力。
　　引力是牛顿发现的，但打开引力秘密大门的却是爱因斯坦。爱因斯坦在广义相对论中指出：在宇宙中充满着引力波，它是在物体周围产生的空间弯曲，并以波动形式以光速传播的一种现象。这是一个颇为深奥的问题，自提出以来虽然过去了半个多世纪，但仍然吸引着许多物理学家的兴趣。l938年，英国物理学家以及美国物理学家在对爱因斯坦的引力理论作了若干修改以后，先后提出了引力减弱的假说。根据这个假说，引力正在缓慢减小，引力真的在减弱吗?这又是一个需要实验才能回答的问题。原子钟出现以后，有人提出用原子钟和“引力时钟”对比，可以直接测定引力的这种减小。
　　原子钟利用原子内电子振荡来代替一般时钟的摆。决定电子振荡周期大小的作用力是该原子内部电子与原子核之间的电磁力。电磁力是恒定的，因此原子钟的速率不会变化。
　　所谓引力时钟就是人造卫星周期，引力时钟的速率可以根据人造卫星绕地球一圈的周期计算出来。当引力减弱时，这个周期就会增大，这就表明引力时钟的速率变慢了。如果引力真的随时间的增加而逐渐减弱的话，引力时钟也将随之逐渐减慢。将原子钟和引力时钟的速率在几年当中进行持续对比，原则上就可以验证引力减弱的假说是否正确。
　　当然，这还只是一种设想。随着原子钟质量的不断提高，以及对于人造卫星运动规律的深入了解，我们相信作出这类验证的日子不久就会到来。

六层楼上的时间

　　六层楼上的时钟（离地面约22米），每秒比地面上的时钟快一千万亿分之二点四秒。
　　爱因斯坦在广义相对论中指出：在非惯性坐标系中，运动物体在中心物体的引力场中运动时，对于同一经历过程，在运动物体上测得的时间间隔，要比在中心物体上的测定值大。偏大的数值约为
　　 为重力加速度，m为引力中心体(如地球)的质量，r为中心体半径。
　　这就是说，在运动物体上测定的时间，除与运动速度有关外，还与其相对于地心的距离有关。这种情况表明，高处的时钟比低处的时钟要走得快。
　　根据相对论计算。位于地球表面不同高度处的原子钟，由相对论效应造成的时差修正为：1.09*10-16秒/米(海拨)，即每升高一百米，时钟要快百万亿分之一秒。
　　照这样计算，二十二米高的六层楼上的时钟，每秒比地面上的时钟快一千万亿分之二点四秒。
　　而放在珠穆朗玛峰顶上的时钟。每秒要比地面上的时钟快一万亿分之一秒。
　　在原子钟出现之前，要测量出如此短暂的时间是不可能的。只有利用原子钟，人们才能够用现代实验方法验证它的正确性。
　　经过美国马里兰大学教授与美国海军天文台等人合作，利用反潜巡航飞机、雷达跟踪和激光技术，进行机载飞行原子钟与地面原子钟比对。结果发现当飞机上升到三万英尺高空盘旋飞行时，由于引力的影响，机载钟比地面钟快一千亿分之一秒。这符合相对论的计算值。
日本东京大学天文台的教授等人按相反方向做了类似实验。他们把高处的原子钟向低处搬运．测量钟速的减慢。这就是所谓“蓝移实验”。结果得到了同佯的肯定的结论。
　　目前，世界各国在用原子钟建立各自独立的地方原子时的时候，都统一根据它所在地点的海拨高度，按1.09*10-16秒/米的比率对原子钟速率加以修正。由此可见，爱因斯坦相对论已经渗到人类生活的许多方面，成为人们认识世界的物质力量。

赤道上的时钟走的慢吗？

　　爱因斯坦是一位伟大的物理学家，他的许多预言陆续得到了实验证实。但是，是不是他的每一个预言都正确呢?回答是否定的。
　　爱因斯坦在他的相对论第一篇论文《论动体的电动力学》中推断：在赤道上的时钟与放在地球两极的质量完全相同的时钟相比，在别的条件都相同的情况下，要走得慢一些。换句话说，在地球表面不同纬度处时钟走速是不同的。在一天当中，赤道钟将比两极钟大约慢l02毫微秒。显然，爱因斯坦在这里只考虑到时间的速度方面，而没有把引力效应同时考虑进去。我们知道。虽然在不同纬度处地球表面的线速度不相同：愈远离赤道时线速度愈小，两极处为零，但地球是椭球体，两极比赤道更接近地心，因而两极处的引力比赤道处的大。这两种因素对于钟速的影响相互抵消，综合效果恰好为零。
　　科学家经过飞行钟试验。测得飞行钟与地面钟相差38毫微秒，这与理论计算值(35毫微秒)相符合，证明钟速与纬度无关。这说明爱因斯坦当时的推断是错误的，赤道上的时钟不会比两极处的时钟走得慢。由此可见，任何一个伟大的科学家，在他们创立新科学理论的时候，不可避免地会受到当时技术条件的限制。后来的探索者有责任根据自己的实践对这些理论加以检验，或抛弃，或继承，或修正，切不可迷信。

时空弯曲

　　时间的相对性不只包括运动的时钟会变慢，而且甚至包括时间的最基本概念??它的“过去”、“现在”和“将来”的性质。
　　在日常生活中，我们除了用日期来表示事件发生的时间以外，还常常使用“过去”、“现在”和“将来”这样一些时态。用时态描述时间，准确地反映了作为物质存在和运动形式的时间的性质。它不是固定的，总是在变化着。将来最终要变成现在，然后成为过去，即：时空弯曲现象。
　　爱因斯坦相对论证明了“同时性”是相对的，从而也就揭示了“将来”和“过去”的相对性。根据相对论的观点，对于在不同的方向或以不同速度运动的观测者来说，事件的时态没有绝对的过去，也没有绝对的将来。两个在空间上分隔的事件，对于某个观测者来说可能是同时发生的，但对于另一个作不同运动的观测者，却可能有先后之别。譬如，一个观测者可以发现事件A在事件B之前出现；另一个观测者则可能得到相反的结论，第三个观测者甚至会发现A、 B是同时发生的。所有这三个观测者的结论，在他们各自参考系内，可能都是正确的。
　　因此，在相对论里没有普遍一致的“现在”，事实上，爱因斯坦相对论所揭示出来的时间的特性，恰好说明了这一点。

时空隧道

　　我们的宇宙如此之辽阔，太阳系的直径约一光年（以光速飞行一年的距离）。离我们最近的恒星(比邻星)距离我们4光年。织女星距离我们26光年，牛郎星距离我们l6光年，“牛郎”、“织女”之间也相距l6光年。从人类的寿命看，不同星系之间的旅行是不可能实现的。
　　从我们宇宙中的一个地点到另外一个地点，有没有其他的捷径可通?是否存在可缩短星际旅行时间的“时空隧道”？在我们的宇宙之外，是否还存在其他的宇宙?如果有，不同宇宙之间是否有“管道”相通?更为有趣的问题是，是否存在这样的时空隧道，通过它我们可以回到过去，或者到达未来，甚至改变历史？
　　20世纪70年代，天文学家在银河系和其他星系的核心区域发现了星系黑洞，进一步激发了人们对时间旅行的关注。
　　从物理学角度来看，要进行时间旅行，就要克服星际间距离遥远的障碍，而克服遥远距离的最好办法是扭曲空间。例如北京和华盛顿相隔很远，在较短的时间内到达不了。如果大地像一张纸，能够折叠，只要将大地的两端折叠起来，让华盛顿和北京叠在一起，两地的距离不就拉近了吗？那么，时空可以扭曲吗？根据相对论，只要有超大密度的区域，这是办得到的。如果时空扭曲了，宇航员就可以像蚂蚁从折叠纸的一面爬到另一面那样，很容易地跨越遥远的时空距离。而扭曲时空需要的超大密度的区域，只能是黑洞。黑洞能将时空扭曲成漏斗状，并在“漏斗”底部，把两个完全不同的时空结构连接了起来。这就是现在所说的虫洞。


完。