01
據說愛因斯坦曾經以熱戀中的情人或蜜月中的愛人感覺時間過得快打比方,來向大眾解釋相對論,更流行的故事是愛因斯坦曾以這樣的比方幫助普通人理解相對論:你與美女一起坐上兩個小時感覺像是過了一分鐘,而在熱爐子上坐上一分鐘卻感覺像是過了兩個小時。
愛因斯坦的這些故事大約與牛頓被樹上落下的蘋果砸中了頭而發現了萬有引力,或伽利略曾從比薩斜塔上當眾拋下鐵球來驗證物體下落速度與質量無關一樣,也是傳說或人間神話。
我想,就算愛因斯坦喜歡以情人熱戀或美女相伴的快樂時光打比方來解釋時間的相對性,最多算是開玩笑,這樣的比方並沒有道出相對論時間相對性的本質,只是說出了心理時間的相對性,至少現在我們還不能將心理時間的相對性與物理時間的相對性在物理學的意義上等效起來。
聊齋中有一個有趣的故事,說一相貌俊美的年輕人,算是一位書生吧,得到天上一位叫雲蘿公主的仙子的垂青,與之做了幾年人世間的夫妻。雲蘿公主與書生做了夫妻後,偶爾要回趟孃家,第一次說好只回去三天,這一去卻經年不歸。待公主緩緩歸來後,書生抱怨公主歸來何太遲,公主卻說她在孃家只呆了兩天半便急急往回趕了。原來天上一日便是地上一年!
中國古代神話故事中有“天上一日地上一年”、“洞中方七日,世上已千年”這樣神奇的想象,在一些誌異和神話作品中多有記載和描述。像《述異記》中那個有名的“爛柯人”的故事:一名樵夫在山中遇童子弈棋,於是放下斧頭凝神觀棋,待童子提醒他該回去了的時候,樵夫卻發現斧頭柄已經爛了,回到鄉里發現已不知過了幾世幾紀。
如果愛因斯坦知道中國神話傳說中“天上一日地上一年”、“洞中方七日,世上已千年”這樣的奇思妙想,他當會大加讚賞,他更可能會借用中國神話中這樣的奇幻想象,來向那些好奇的粉絲們解釋相對論。
可惜愛因斯坦不瞭解中國文化。
當然中國神話故事中天上一日地上一年的想象或許同樣是源自對心理時間相對性的感知,就如錢鍾書在《論快樂》中津津道來的:“天上比人間舒服快樂,所以神仙活得快,人間一年在天上只當一天過。”
不過,即便如此,中國神話傳說中關於天上人間時間快慢相對的想象仍然不失為通俗生動詮釋相對論時間相對性的好例子,這樣的想象恰恰道出了時間相對性的本質:在不同的世界之間時鐘的快慢是不一致的。
其實,不僅僅是凡人想象神仙活得快樂,天上的神仙同樣羨慕塵世的凡俗生活,所以民間神話傳說中會有那麼多思凡的仙子來到人間享受凡人的快樂生活,也難怪西遊記裡有那麼多妖怪要從天上來人間快活禍害一遭。
天上人間原來是互相向往,人間覺得天上是“慢時光”,想必天上覺得人間也是如此吧。這倒與狹義相對論在這裡不期而遇了:兩個有相對運動的系統或世界之間有“鐘慢”效應,互相看著對方的時鐘走得慢。
02
中國神話傳說中對天上“快時光”的想象雖然極富創造性,但只限於神話的想象,還不能說是具備了現代科學思想的萌芽。根據廣義相對論,引力場使時鐘變慢,那麼生活在天上相對於塵世時間過的快,反而是塵世的凡夫俗子們享受“快時光”的日子,因為地面上的地球引力場強度要比白雲之上大,塵世的時間流逝速度要比仙界來的慢。
不過,我們仍然可以想象神仙的世界是在另外一個引力場強度遠遠大於地球的遙遠星際空間。當然這有點較真兒了,這是科幻式的想象,不是神話的想象。
相對論的神奇思想喚起了人類探索宇宙的無窮好奇心,激發了種種天馬行空的幻想:星際迷航、時空穿越、平行宇宙,其奇幻色彩足以媲美神話想象。
相對論確立了相對時空觀,顛覆了牛頓經典力學的絕對時空觀,顛覆了我們常識性的認知,標誌著人類科學思想的一次飛躍,是人類理性的一次勝利。
在絕對時空觀裡,時間流逝的速度是絕對的、恆定的:無論緩步在步行街,還是乘坐高速行駛的快車,無論是在穿越雲層的飛機上,還是在星際航行的飛船上,無論是白雲之巔,還是月亮之上,無論是太陽系,還是遙遠的星系,時間的流逝速度都是一樣的,時間的量度都是一致的,時間是宇宙中一條勻速流淌的河流,亙古不變,無始無終。
而在相對時空觀裡,宇宙中沒有萬物統一的一個時間參照,不同的系統之間、世界之間時間流逝的快慢是不同的,每個系統每個世界都有自己的時間量度,每個人都有自己的時間量度。時間不是勻速流淌的,時間的刻度會“膨脹”,時光的車輪會變速。
在絕對時空觀的世界裡,“同時性”有普適的意義,從來沒有人會對之產生疑問,而在相對時空觀的世界裡,“同時性”遇到了挑戰。
在絕對時空觀的世界裡,相思的情人可以遙想“天涯共此時”;而在相對時空觀的世界裡,念遠的人兒卻要感嘆不知我的此刻是你的何時,不知我的今夕是你的何年。
在絕對時空觀裡,空間也是永恆的,沒有起點和邊界,在四面八方均勻的延展著,沒有伸縮,沒有彎曲,兩條平行線將會平行的伸展開去,永遠不會相交;空間在各個方向的度量尺度是一致的,橫量豎測靜量動測任你怎麼測尺度都一樣。
而在相對時空觀裡,空間是有起點和邊界的,宇宙空間不再是均勻的、平坦的,空間會被物體的質量壓縮、彎曲,平行線可能相交,三角形的角度之和未必是180度,圓周率未必是我們都能背誦的那個數字。空間的度量尺度會隨著物體的運動而變化,“運動的長度會縮短”,不同的世界之間空間的度量尺度不會一致。
在絕對時空觀的世界裡,詩人才會構想出遊俠劍客出手亮劍“其疾如電光”、殺敵於“無形”的瀟灑快意,而在相對時空觀的世界裡,這位閃電俠卻只能驚恐而尷尬的發現他快如閃電的利劍在出手的瞬間收縮成了“無形劍”,幾近消失,刺在與之決鬥的對手身上也許只彷彿蚊蟲叮咬。他或許要為他的閃電般的速度付出了生命代價!
在絕對時空觀裡,時間和空間是宇宙萬物執行其中的環境,任由風在天地間任意縱橫,任由光在星際間無拘無束的馳騁,任由大千世界自由的運動旋轉,時間和空間只是構成物質運動其中的參照系,只是物質運動廣延性和持續性的量度。
而在相對時空觀裡,物體的運動卻是與時間和空間不可分割的,是互相糾纏在一起的,在物理事件中,時間和空間不只是構成物質運動其中的參照系,還是物質運動的屬性,時間和空間不再是置身事外的看客,而是要參與到物理事件的程序中,要在其中扮演著不容忽視的角色。
在相對時空觀裡,物體的運動會影響時間的流逝速度和空間的尺度,物體的運動會使時鐘變慢,會使空間的度量尺度縮短,物體的質量會讓時空彎曲,物體的加速運動會激起“時空的漣漪”,就像落入水中的石子蕩起層層波浪。而時間和空間又會反過來影響宇宙萬物運動的方式,萬有引力只是時空彎曲的幾何效應,物體不是循著空間的直線,而是循著“時空的直線”、時空的最短距離執行。
正如著名美國物理學家約翰.惠勒的警句:“時空告訴物質如何運動,而物質告訴時空如何彎曲”。
質量使空間彎曲
在絕對時空觀裡,空間與時間互相獨立,兩無干涉,空間運動速度與時間流逝速度不會發生關係。
而在相對時空觀裡,時間不再獨立於空間,時間與三維空間中的空間維度一樣,變成了四維時空中的一個維度。在四維時空中,時間與空間可以互相轉換。
03
有意思的是,相對時空觀中並非任何物理量都是相對的,有個例外,就是光速。不管相對於哪個參照系,對哪個觀察者而言,真空中的光速都是一個絕對不變的量,是宇宙的極限速度。空間運動速度越快,時間的流逝速度越慢,空間可以換時間,空間運動速度的增快能換得時間流逝速度的減慢,當空間運動速度達到光速時,時間將停止流逝。
我們的世界是低速運動的世界,相對論勾起了我們對高速運動的世界的遐想甚至臆想,誘惑著我們去想象高速運動的世界會是一番什麼樣的圖景。
曾經讀過一個解釋相對論時間相對性的例子,大約是說在一列高速行駛的東方快車上發生了一場槍戰,姑且認為是警匪之間的槍戰吧。列車上驚恐的乘客看到的是劫匪先向警察開槍射擊,然後警察開槍還擊。然而一位恰巧站在車窗外鐵軌旁的鐵路工作人員卻看到了不同的景象:是警察先開槍向劫匪射擊,然後劫匪開槍還擊。
這個例子是對相對論時間相對性的想當然的臆想。時間的快慢雖然對不同的觀察者是相對的,但是時間還不能顛倒錯亂。假設列車上的乘客看到的是劫匪和警察先後開槍射擊,那麼在高速行駛的列車外的觀察者看到的將是雙方開槍射擊的時間間隔與車廂上的觀察者相比變長了,而不會看到相反的射擊順序,不論列車以多麼快的速度在行駛。而當列車的速度越來越接近光速時,對於鐵軌旁的觀察者來說,車廂內警匪之間對射的時間間隔將無限拉長。
不知有多少詩人想在詩中變成一束光,在愛的星空自由飛翔。如果詩人的願望成真,詩人將會驚異的發現,時間已經停止了流逝,距離已經失去了意義。我們或許想象過像光一樣漫遊宇宙會是世上最浪漫的事兒,但是在光的眼中,這個宇宙卻沒有浪漫的時空可以漫遊,無論對於我們來說多麼遙遠的星際距離,對於光來說,只不過瞬間可達。
由時間相對性產生的科學幻想中,最讓人神往的莫過於奇幻的星際旅行了:設想你未來某一天成為了一名宇航員,即將駕駛著超高速的宇宙飛船飛往銀河系空間站執行太空任務,想象著你將穿越宇宙的奇妙圖景,你激動不已,甚至來不及與親友告別,和同伴駕駛著飛船以接近光速的速度飛離地球,飛越太陽系,駛向銀河系。你們大約飛行了幾個小時就抵達了銀河系空間站,在空間站駐留了幾天,執行完太空任務,然後返航,又經過幾個小時的飛行,就返回了地球。可是你驚訝的發現,地球上的親人和朋友都已經青春不再滿頭白髮了,你彷彿穿越到了未來,只是你已經穿越不回從地球出發的那個時刻了。你恍惚經歷了傳說中那個“爛柯人”的奇境,幸運的是,你的親人好友都還健在,只是老了而已。
文中開頭提到的那個聊齋故事裡有一個細節:雲蘿公主要回天上,婢女會取出一狀似皮排的東西,就地鼓氣,四下噴射雲氣,然後杳然不見。我們自然可以推想雲蘿公主是乘坐皮排往返於天上人間,不像《西遊記》裡的神仙跨著神獸或踏著祥雲往來於仙凡兩界。這個細節似乎增加了故事情節安排的合理性,不知是作者蒲松齡的精心構思還是隨意描寫。也許有牽強附會之嫌,這個細節難免讓我們將雲蘿公主乘坐的皮排想象成一種高速飛行器,就像遨遊太空的飛船。公主往返天上人間只用了數日的時間,可是對在人間慢節奏生活的書生來說,卻已經過了幾年。
“一寸光陰不可輕”,知道了時間流逝的快慢取決於運動的速度,我們或許可以從一種全新的維度獲得對生命的感悟,“生命在於運動”就有了新的詮釋。懂得了時間的相對性,懂得了時間與運動的關係,我們更應該珍惜每一寸光陰,讓生命在律動中精彩豐盈起來,那樣將來有一天我們或許可以自詡歸來依舊是少年;否則我們蹉跎了半生的歲月,或許只是別人幾個鐘點兒的光景。當然,你可以當這兒是玩笑話兒。
雙生子佯謬