103 爱因斯坦和相对论（2）

第一个意识到爱因斯坦新时空观的是他的老师闵可夫斯基。闵可夫斯基提出的简称“世界”的物理世界，就时空观而言，是四维的。对于“四维”的事物，一般人听了会感觉十分奇怪，但其实，对于“我们所居住的世界是一个四维时空连续统”这句话来说，只是一个很寻常的说法。


空间是一个三维连续区，用笛卡尔坐标（x,y,z）来描述一个点的位置，并且在该点的邻近处可以有无限多个点，因此整个区域就是一个“连续区”，由于有三个坐标，所以说它是“三维的”。物理现象的世界是由各个“事件”组成的，每个事件又是由四个数来描述，就是再加上一个时间坐标“t”，构成一个四维连续区（x,y,z,t），这是很自然的事情。


按照相对论，时间已经失去了它的独立性，这个已经由洛仑兹变换的方程表明。闵可夫斯基的“四维世界”在形式上是与欧几里得几何学中的三个空间坐标完全相当的。


不少人是因为一些关键要点没搞清楚，而导致对相对论理解上的偏差，或者没办法摆脱经典力学的绝对时空观。很多人就是因为不理解“光速不变”这一点而导致了各种错误。


我们不能用一种背景化的绝对时空观来看待这个世界，没有一个绝对时间的参考系，每个运动的物体都有自己的时间基准（一个“钟表”）。当我们谈论“时间”这个词语时，谈论“同时性”这个词语时，谈论“运动速度和距离”时，首先我们要测量时间，这就需要信息的沟通和传递，但这种信息的传递不是“即时”的，就如同万有引力不是“即时”的超距作用一样。作为信息传递的光，它是有一个固定速度的，而且在真空中是不变的。


“信息传递”是一个关键要点，请用这个观点来理解时间，并且以此来理解同时性。光速不变跟常识相悖，所以造成了我们用常识性的伽利略相对性原理来理解问题时出现了错误。


比如一列很长的火车在铁路上运动，我们观察火车里面的一个人，这个人在向前奔跑，那么这个人的速度相对于我们来说，就是火车的速度加上人相对于火车跑动的速度。这是很简单的相对性原理，大家都是这么理解的。


可是，问题出现了：如果这个人以光速奔跑，怎么办？火车的速度加上光速就等于超光速了，相对于我们，他就是超光速英雄，简称“闪电侠”。


但实际上，他对于我们来说依然是光速，我们测得的速度也依然是光速，光速不变。所以，这就导致牛顿运动学的形式在高速运动中不成立了，要做一个小小的修正，以保持物理定律的不变性。


狭义相对论在数学上并不难，只需要加入一个“相对论因子”的小式子，牛顿和爱因斯坦两个人就一致了。但是，要理解修正后方程所产生的种种奇怪的效应和带来的结论，就不容易了。比如“尺缩钟慢”，时间膨胀，距离收缩，时空连接为一体，又该怎么理解呢？


我们可以举上一些例子让大家形象化地理解什么叫作“时间膨胀”。


相对论说的是，一个人不往外面看就不能够测得他的速度，就不知道他是否在运动。换句话说就是，在一个做匀速运动的飞船上做的实验和看到的现象，跟在飞船静止时做的实验和现象是完全一致的。


物理定律在静止和匀速运动时是保持不变的，这就是相对性原理，很简单，很容易理解，我们上高中时就已经懂了。


关于“时间膨胀”，两个做相对运动的人，或者一个动一个不动，那个“不知道”自己是否运动的人的钟表会变慢，也就是他的时间会变慢。


好莱坞电影《X战警：逆转未来》中“快银”那一段太经典了。“快银”是一个变种人，有超能力，他的速度很快，但是还没有达到光速。于是当他高速运动时，眼里的世界就像慢动作播放的电影一般，一切都是慢悠悠的。


当“快银”以极快的速度运动着，在他看来周围的一切都“变慢”了，这就是时间膨胀，而如果他的速度达到光速，周围的一切就“静止”了，也就是时间静止。


我们以“快银”为时间基准，他知道自己在运动，而其他人不知道自己在运动。如果把“快银”当作静止参考系，全世界对他而言都在做着高速运动，但是，全世界都不知道这一点，因此，全世界的时间相对于“快银”都变慢了。


“快银”先做两个俯卧撑，跳个舞，然后睡一觉，接着看一看自己随身戴的表，发现已经过去了两个小时，这是一个正常的时间。但是他周围的全世界都是以一种“慢动作”在进行着，就像电影里的慢镜头，“快银”看一看他旁边挂着的一个钟，发现才过去五分钟，因为那个钟是“很慢很慢地在走动”。相对于“快银”他本身的正常时间来说，周围世界的时间变慢了，这就是时间膨胀。


再举一个例子。


比如你坐宇宙飞船到太阳上去，然后返回来，我们知道地球到太阳的距离大约是8分钟的光程，也就是光速走8分钟，假设飞船非常接近光速吧。然后我们把你送进了密封的飞船，飞船从地球出发做匀速运动，你在飞船里面会什么都感觉不到，你不知道自己是否在运动，你以为自己是静止的。因此，你的时间就会膨胀变慢，你的表也会变慢。


假如你的飞船速度只比光速小一点儿，用了15分钟到达太阳，然后返回地球，一共用了半个小时。地球上的钟表走了半个小时后，飞船抵达，我们给你开门。你从飞船里出来，发现你的表只走了2分钟。因为你的表变慢了！


如果你的飞船达到了光速，或者非常接近光速的话，比如说你的飞船到10光年远的地方再回来，回到地球就是20年，地球上的时间过了20年。而对于你来说，你的表才走了5秒钟。也就是说，你进入飞船，过了5秒钟出飞船，你发现你周围的世界已经过去了20年，你20岁的儿子在门口等着你，你会何等惊讶！


当然，这里举的例子是为了形象化和通俗化，比较粗略，是不够严谨的。实际上，运动是相对的，“同时性”也是相对的。两个做相对运动的惯性参考系，彼此看对方，都是“尺缩钟慢”的，不存在谁比谁更优先的问题，也不存在所谓的“上帝视角”，大家都是“平等的”“相对的”。