你的时间, 我的时间,好像不一样
作者: 卢健龙在日常生活中,时间观念无疑很重要。我们跟随奔流不息的时间起床、上学、上班、吃饭、休息,偶尔还会问一下身边的人:“现在几点了?”几乎所有人都默认这么一件事:时间对身处不同地方的每一个人来说,都在以相同的速度流逝。在北京的你看着时间过了一分钟,在美国的一个陌生人及在国际空间站中的宇航员也同样度过了不多不少的一分钟。这似乎是理所当然、完全不需要怀疑的常识。但在科学里,常识却往往不一定符合事实。
在爱因斯坦于1905年正式提出“狭义相对论”之前,物理学家对时间和空间的理解与17世纪的牛顿并没有本质区别。在当时的物理学家眼里,空间和时间都是绝对的,空间是万事万物的舞台,空间中每个点的时间都以相同的速度流逝着。但爱因斯坦的狭义相对论告诉我们,时间流逝的快慢取决于参照系的选择,其并不是绝对的。
举个例子,在一个静止于地面上的人看来,旁边呼啸而过的汽车上的人的时间流逝得要比自己慢一些。这在物理学中被称为“钟慢效应”。我们可以通过一个思想实验来理解“钟慢效应”。想象一列飞奔的火车的天花板上有一面镜子,镜子正下方的地板上有一个手电筒。手电筒向上方的镜子发出光,光到达镜子后被反射,最终照回到手电筒上。对火车上的人来说,光的行动轨迹是先从地板竖直向上到达天花板后,再竖直向下回到地板上。但对火车外静止在地面上的人来说,光的行动轨迹则是一个等腰三角形的左右两条边(这个等腰三角形的高就是火车地板到天花板的距离),光从地板出发倾斜向上到达天花板后,又倾斜向下最终到达地板。对火车外的人来说,光走过的路线要更长。因此,在光速恒定的前提下,火车外的人在这个过程中经过了更多的时间,所以他们会觉得火车上的人的时间过得比自己要慢,因为后者的手表在这个过程中走过的时间更少。
“钟慢效应”听起来似乎有些违背直觉,像科幻小说里的情节,但确实已经在实验中被物理学家观察到了。比如有一种很轻很小的基本粒子叫作μ子,它们并不稳定,很容易发生衰变。μ子的平均寿命只有2.2微秒左右(1微秒=10-6秒),即使以宇宙中最快的真空光速(大约每秒30万千米)奔跑,μ子在2.2微秒内也仅能跑出600多米。可神奇的是,物理学家在地面上观测到了来自十几千米高的大气层上方的μ子(它们产生于高能宇宙射线与大气层上方分子之间的相互作用)。其中的原因就是,在地面的观察者眼中,μ子的运动速度非常快,快到接近光速,因此这些μ子的时间变慢了,所以到了地面上,它们还没来得及发生衰变。想象一下,如果这些μ子都带着一个时钟,那在地面上的我们就会看到这些时钟走得非常慢,比地面上的时钟要慢得多。从这些μ子在距离地面十几千米高的大气层上方产生开始,一直到这些μ子到达地面为止,μ子携带的时钟还没有来得及走过2.2微秒。
在狭义相对论中,时间和空间组成的时空虽然不是绝对的,却是平直的,这里面缺少了我们日常生活中时时刻刻都能感觉到的万有引力。在提出狭义相对论大约10年以后,爱因斯坦又将狭义相对论推广到了时空不再平直的情况,也就是著名的“广义相对论”。
在广义相对论中,万有引力的本质其实是时空的弯曲,而时间流动的快慢也跟时空的弯曲程度有关。在引力场越强的地方,时间流逝就越慢。最极端的例子就出现在黑洞附近。
黑洞是宇宙中一种很特殊的天体,当质量很大的物质被压缩在足够小的空间中时,时空就会出现极大程度的弯曲,进而形成黑洞。黑洞的周围有一个被称为“事件视界”的边界,一旦进入其中,就连宇宙中速度最快的光也没办法摆脱黑洞强大的引力场重新出来。假设黑洞外面远处的一个宇航员将他的手表扔向黑洞,那他就会看到随着手表逐渐落入黑洞(引力场越来越强),手表上的指针也走得越来越慢,最终,手表上的指针在黑洞的事件视界处趋于停滞。
离我们近一些的地方,也有引力差异导致时间流逝速度不同的例子,那就是我们熟悉的地球和月球。
作为地球的卫星,月球的尺寸和重量都比地球小得多,月球表面的引力也只有地球表面引力的1/6左右,因此,月球表面的时钟会比地球表面的时钟走得快一些,每24小时大约会快上56微秒。这个微小的差异在我们看来似乎无关紧要,但对很多科学实验和精密仪器(比如定位系统)来说却是不可忽视的,因为微小的误差一旦长时间积累起来,就会导致巨大的偏差。再加上月球本身还会转动,如何给月球确定时间是一个有趣而又复杂的问题。有些科学家想在月球上放置原子钟,也有科学家想在月球周围建立类似于地球周围的全球定位系统(GPS)。如果人类想把月球纳入自己的家园,并使其与地球保持密切有效的联系,那么这些问题都是需要解决的。
* 本文作者为新加坡国立大学物理学博