关于“时间”这个概念的探讨,早在史前火堆旁就已展开。而爱因斯坦的出现,让“时间”的定义焕然一新,仿佛一幅重新上色的画卷,让我们以全新的视角审视那些熟悉而又陌生的过去、现在与未来。
“时间”究竟是什么?它是一个充满谜团的词汇。我们眼见它在太阳升降间流逝,在空中飞舞的石子路径中闪烁,在岁月留下的皱纹中缓缓流动。然而,尽管有所感知,我们依然难以捕捉到“时间”的具象形态。
我们仅能描述“时间”的诸多特质,比如它的单向性——它总是一往直前,不回头;它如矢量般,对任何方向都毫不妥协。时间还具有某种相对的均等性,从宇宙诞生至今,时间从未在任何特定时刻加速或减速。无论是地球上的聪明人还是愚笨者,贫穷或富有者,一昼夜总为24小时。
然而,这个均等性只在特定条件下成立。在同一时空结构和相对速度下,时间对一切事物都是等价的。但当涉及不同时空结构或不同相对速度的两个对象时,时间的均等性便不再适用。之所以如此,是因为时间如同宇宙中的其它物质,也会受到质量和速度的影响。
按照爱因斯坦在相对论中的阐述,时间无法脱离空间和物质独立存在。也就是说,若无空间,时间无处安放;若无物质,时间也无从谈起。相应地,若无时间,空间和物质亦将失去意义。
爱因斯坦进一步指出,时间与空间共同构成了我们所熟知的四维时空(长、宽、高、时间),这一四维框架正是我们宇宙的基础结构。在测量上,无论是时间还是空间,都非绝对不变。在不同的相对速度或时空结构下进行测量,时间的流逝速度也会有所不同。质量和速度是影响时间流逝的两大重要因素。
根据广义相对论的数学推演,大质量物体(如黑洞)附近的时间流逝速度要慢于远离大质量物体的地方。虽然令人惊讶,但质量对时间的影响已不再是秘密,并且得到了验证和应用。例如,全球定位系统GPS在开发和使用过程中,科学家们发现无论如何校准,总存在几公里的定位误差。直到将爱因斯坦相对论中质量对时间的影响纳入考虑,这一系统误差才得以消除。
我们知道,卫星距地面甚远,依据万有引力定律,地面的重力场强于卫星轨道的重力场。在两种不同重力场作用下,地面的时间流逝速度比卫星轨道上的快,尽管这种差异微小,但乘以具体距离放大倍数后,这种差异便十分显著。
此外,爱因斯坦在狭义相对论中提出时间具有“膨胀”效应:假设有两个观察者,一个静止,另一个以相对速度朝静止者移动,则运动的观察者会发现自己的时间流逝速度慢于静止观察者周围的时钟。
然而在日常生活中我们无法察觉到这种差异,因为相对运动的速度远不足以造成显著的时间差异。那么什么速度才能对时间造成显著影响呢?
科学家想到光速。通过对光的一系列实验,他们发现光无论向哪个方向运动,其速度始终恒定,光在运动中对时间并无影响。
这一现象令许多科学家困惑,因为按理说,光在运动中应该会影响时间。难道相对论有误?当然不是!爱因斯坦认为,光速是宇宙速度的极限,任何物体的速度都不可能超过光速。根据爱因斯坦的公式,一旦物体速度达到光速,时间就会失去意义,甚至不复存在。这就是速度对时间影响的真谛。
如今,我们已经明白,速度达到光速时,时间便没有意义。那么,作为影响时间的另一个因素——质量或者引力,在何种状态时会导致时间失去意义呢?
对于这个问题,现代物理学给出了令人满意的答案。
要达到这种影响程度,我们必须先设想一个拥有巨大质量的物体——黑洞。我们对黑洞的一般理解是,它拥有巨大的质量,能将所有靠近的物体吸入,甚至是光线也无法逃脱。
由此,我们自然好奇黑洞的核心究竟是什么?答案是奇点。奇点是黑洞形成的最终产物。我们知道,大质量恒星发光发热是由于内部核聚变产生的巨大重力将原子压在一起。核聚变产生能量(光和热),当产生的爆炸力和重力达到平衡时,恒星保持稳定,太阳就是一个例子。
然而,随着时间的流逝,恒星内的原料耗尽,核聚变停止,重力占据上风,继续压缩内部物质,形成中子星。如果恒星质量足够大,重力持续压缩物质,直至空间变为零,形成奇点。此时时间和物质都失去了意义,这便是质量对时间的终极影响。
英国科学家霍金通过对爱因斯坦广义相对论的计算和推导得出了宇宙有一个起始点的结论——大爆炸。这一观点继承了爱因斯坦的观念:物质和时空共生,只要物质存在,时间就有意义;而时间需要能量维持,无能量的时间同样没有意义。
人类总是怀揣着时间旅行的梦想,希望能穿越时空返回过去,甚至改变历史。这些想法常出现在电视剧尤其是中国的穿越剧中它们代表了人们的美好期望。然而这些期望却源于对爱因斯坦关于时间解释的误解和偏见。
对此,爱因斯坦的见解是:
1. “时间倒流或回到过去是基于一个不存在的逻辑之上。”
2. “现在、过去和将来之间的差异只是一种错觉。”
时间不能倒流
首先, 爱因斯坦认为电视中的情节“回到过去”是脱离现实的。时间只会朝着一个方向流动,违背自然规律的“回到过去”显然不可能实现。
根据霍金的解释, 这违反了时间悖论。他设想如果一个人能回到过去, 看到过去的自己, 并开枪杀死过去的自己, 那么未来的自己又从何而来? 这是明显的逻辑矛盾!
既然回到过去是不可能的, 那么去往未来呢? 理论上这是可行的, 因为假设并不违背时间的单向性。想象一下, 你乘坐航天器来到黑洞边缘绕行, 黑洞周边的时间流速比地球慢得多。如果你在黑洞附近航行一小时, 回到地球可能已是十几年之后的事了。
同理, 如果你乘坐接近光速的飞行器高速飞行, 那么在飞行器上的一小时, 回到地球可能就是十几年以后了。所以通过时间旅行回到过去是不可能的, 但是我们可以穿越到未来, 这是完全可行的。
爱因斯坦的第二点见解是, “现在、过去和将来之间的差异只是错觉”。时间是单向的, 尽管回到过去、时光倒流不可能, 但时间的流逝是连续的。物质在时间的长河里产生、发展、消亡, 只是用时间这一测量单位来记录方式。
就如同一台摄像机, 宇宙中的所有事件——过去、现在和未来, 都在时间这台摄像机中不断回放。
如此看来,时间是宇宙世界中唯一真正流通的“货币”!拥有时间, 便拥有一切; 拥有时间, 便拥有未来!