我們存在的最大謎團(tuán)之一也是物理學(xué)的最大謎團(tuán)之一：時(shí)間。我們體驗(yàn)時(shí)間的流逝，有一個(gè)特殊的時(shí)刻，我們稱(chēng)之為“現(xiàn)在”。現(xiàn)在你正在看這篇文章，半小時(shí)前你可能在做其他事情。無(wú)論你做什么都沒(méi)有辦法改變它，這就是我們對(duì)時(shí)間的看法。但物理學(xué)告訴我們的時(shí)間與我們的看法大不相同，弄清楚這一點(diǎn)的人正是阿爾伯特?愛(ài)因斯坦。了解愛(ài)因斯坦教給我們的關(guān)于過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)的一切，這就是我們今天要討論的內(nèi)容。
我們認(rèn)為時(shí)間是對(duì)每個(gè)人和每個(gè)物體都一樣有效的東西，這使時(shí)間成為一個(gè)通用參數(shù)，這個(gè)參數(shù)標(biāo)記了經(jīng)過(guò)了多少時(shí)間，以及我們所說(shuō)的“現(xiàn)在”是什么意思。閔科夫斯基是第一個(gè)注意到這可能不太正確的人，他認(rèn)為如果將時(shí)間視為一個(gè)維度而不是一個(gè)參數(shù)，那么麥克斯韋的電動(dòng)力學(xué)方程就更有意義了。如果你將空間的一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)到時(shí)間上，麥克斯韋方程組不會(huì)改變。
所以，閔科夫斯基說(shuō)我們只是將空間和時(shí)間組合成一個(gè)四維時(shí)空，然后我們可以將空間旋轉(zhuǎn)到時(shí)間，就像我們可以將兩個(gè)空間方向旋轉(zhuǎn)到彼此一樣。這就自然地解釋了為什么麥克斯韋方程組具有的對(duì)稱(chēng)性，它與電場(chǎng)和磁場(chǎng)沒(méi)有任何關(guān)系，它來(lái)自空間和時(shí)間本身的特性。
我們可以在直角坐標(biāo)系中畫(huà)出時(shí)間維度：一條用于時(shí)間，另一條用于至少一維空間，這稱(chēng)為時(shí)空?qǐng)D。如果只是靜止不動(dòng)，那么在此類(lèi)圖中的運(yùn)動(dòng)是豎直的直線；如果以恒定的速度移動(dòng)，那么在圖中是一條以一定角度傾斜的直線。最大的速度是光速，按照慣例它通常以 45 度角繪制。在空間中我們可以前后、左右或上下移動(dòng)。但隨著時(shí)間的推移，我們只能向前，不能掉頭往后走。所以時(shí)間仍然在某些方面與空間不同。
那么我們談?wù)摰臅r(shí)間意味著什么？如果我們想進(jìn)一步理解它，我們將進(jìn)入愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論。狹義相對(duì)論有兩個(gè)重要的原理：光速不變?cè)砗拖鄬?duì)性原理，這兩個(gè)假設(shè)會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
光速是有限的，沒(méi)有什么比光速更快。你可能正在手機(jī)屏幕前看這篇文章，那么“現(xiàn)在”你的手機(jī)還在嗎？你的答案是肯定的，但物理學(xué)家可能會(huì)指出，實(shí)際上你并不知道，因?yàn)椤艾F(xiàn)在”手機(jī)發(fā)出的光還沒(méi)有到達(dá)你的眼睛。如果有人搶走了你的手機(jī)，那么手機(jī)丟失的信息需要一小段時(shí)間才能到達(dá)你的大腦，那么你怎么會(huì)知道“現(xiàn)在”手機(jī)在哪里呢？
雖然物理上好像是這么回事，但這不是正常人使用“現(xiàn)在”這個(gè)詞的方式。我們總是談?wù)摗艾F(xiàn)在”發(fā)生的事情，從不用擔(dān)心光需要多久才能傳播到。為什么我們不能就一些“現(xiàn)在”達(dá)成一致并繼續(xù)下去？為此，我們必須想出一種方法來(lái)確定我們所說(shuō)的“現(xiàn)在”是什么意思。
愛(ài)因斯坦的思想實(shí)驗(yàn)做到了這一點(diǎn)，假設(shè)在我們左邊和右邊各放一面鏡子，之后同時(shí)向左右兩面鏡子各發(fā)射一個(gè)光子。因?yàn)槲覀冇泄馑俨蛔冊(cè)?，所以我們知道左右兩個(gè)光子必須同時(shí)返回。最后一步，在整個(gè)過(guò)程所需的時(shí)間的一半時(shí)，我們就知道光子一定是從鏡子上反彈回來(lái)的?，F(xiàn)在，我們可以說(shuō)這個(gè)時(shí)刻就是所謂的“現(xiàn)在”了，即使光還沒(méi)到達(dá)我們這里。時(shí)空?qǐng)D中的表現(xiàn)形式如下圖。
假設(shè)一個(gè)朋友以恒定的速度相對(duì)你移動(dòng)，在你的時(shí)空?qǐng)D中他沿著一條傾斜的直線移動(dòng)。他也和你一樣做一模一樣的實(shí)驗(yàn)，但從你的角度來(lái)看，現(xiàn)在時(shí)間的一半并不是你所謂的“現(xiàn)在”，時(shí)空?qǐng)D如下圖所示。顯然，他所說(shuō)的“現(xiàn)在”已經(jīng)不是你所說(shuō)的“現(xiàn)在”了，你認(rèn)為他的“現(xiàn)在”是錯(cuò)誤的。另一方面，從他的角度來(lái)看，他是不動(dòng)的而你相對(duì)他反向移動(dòng)，所以他覺(jué)得自己的“現(xiàn)在”概念是正確的，而你的“現(xiàn)在”反而不正確了。
這就是相對(duì)性原理的用武之地，所有觀察者的觀點(diǎn)同樣有效，所以你倆都是對(duì)的。換句話說(shuō)，“現(xiàn)在”的概念取決于坐標(biāo)系，你的“現(xiàn)在”和他的“現(xiàn)在”不一樣。如果你喜歡專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)，這也稱(chēng)為同時(shí)的相對(duì)性。不同的觀察者在日常生活中對(duì)“現(xiàn)在”概念的差別非常小，只有在相對(duì)速度接近光速時(shí)它們才會(huì)變得明顯。
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：萬(wàn)象經(jīng)驗(yàn) （ID：UR4351），作者：Eugene Wang
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