为什么说到时间就要说光和光速?

黎明时分,当光线照进的洞穴时,远古的祖先醒来体验了一种似曾相识的感觉。有人灵光一现,意识到了自然界固有的周期性——太阳再次升起。几千年前的这一天,人类对时间的永恒追求开始了。

如今我们知道黑夜和白天是地球自转,春夏秋冬组成的一年和地球公转有关,月份和月球有关。手机时间网络同步,网络时间和原子钟同步。时间非常精确,地球上所有人的时间流速都是相等的,即使有钱你的时间也不会比任何人快上一分半秒。

随着科技的日益发展,我们发现地球的公转周期正在逐渐的改变,恐龙时代的地球自转速度比今天要快,月球不停地利用潮汐力再帮地球自转“踩刹车”。

如果地球自转一圈不再是24小时,而是22小时,10小时会怎么样?显然天体的运动周期不能再用作计时标准了。那么时间到底是什么?是一个固有的自然物理法则的实体,还是一个虚构的、人类创造的。

经典物理

亚里士多德认为时间是运动的属性,是变化的尺度。对他来说,时间不是自己存在的。他把时间称为“连续运动的计数”或“前后变化的次数”。他认为,由于时间本质上是对变化的衡量。由此人们开始逐渐有了速度的概念,即物体运动变化快慢。

何为快,何为慢?你坐在小车高速行驶,小车认为你是静止的。你说慢,马路和路人觉得你和小车很快。因此就涉及到了观察者,或者说参考系,速度是相对的,对于不同观察者来说速度不同,即相对性。伽利略把相对性发挥到了极致与牛顿定律统称为经典物理。那么速度是相对的,时间是相对的吗?

我们先假设一下,如果时间是绝对的,独立的存在的,一往无前向前流逝的,均匀的。那么就像牛顿在《原理》中写到的:

绝对的、真实的、数学的时间,从它本身的性质来说,是平稳地流逝得,与任何外在的事物都没有关系,因此与时间的任何变化或测量方式(如时、日、月、年)都没有关系.

那么时间就和空间的三维不存在关联,是一个独立的维度。在绝对时间观中,宇宙空间中此时此刻发生的所有事情都是同时发生的。

那么思考一个问题:1万光年外的一个星球上,有人此刻打开了一瓶可乐,你在地球上也打开了一瓶可乐,你们互相通过遥远的距离,或者说望远镜看着对方,你打开的瞬间,他打开了吗?

这个问题在如今很好解释,如果在你俩中间,也就是5000光年距离中有一个人,同时看着你俩,你俩打开汽水瓶的事情是同时发生的,因为光携带着你俩的信息同时传到了它的眼中。对于你来说,此刻你打开汽水瓶和他打开汽水瓶并不是同时发生的,你需要等待1万年,光才能把他开打汽水瓶的信息传达到地球,而对于他来说也是如此。

如果按牛顿的理解,光需要具备一个条件:光速是没有上限,你打开汽水瓶,光可以秒传到宇宙中所有的角落。这样的事情显然不可能,因为光速并非无限,因此它打破了同时性。不过,不仅仅是如此!

相对论

我们再说长短,身高,宽窄,我们用的是尺度进行度量,有的用英里、有的公里,不过我们能统一它们,或者说换算它们,因为我们定制了一个统一的标准。1厘米,1米的长度是定死的,甚至是质量等各种单位都一样。我们可以说宇宙有一颗半径10公里,重达100吨的陨石朝我们飞奔而来,在外星人看来,他们也会说10公里半径、重100吨(星球间的单位换算之后意义是一样的,就好像我们用人民币、英国人用英镑)的陨石飞向地球。但是如果问到速度,答案会完全不一样。比如:他们的星球和陨石的速度一致,方向相同,那么陨石对于他们来说就是静止的,对于地球来说则是运动的。

如果我们要统一时间,我们也需要一个固有的、永恒不变的量。假设宇宙存在中心,中心上有一个相对于宇宙绝对静止的小石头,那么宇宙中所有的速度都可以以它为参照物,那么任何物体运动变化就会有一个绝对速度。

然而并没有这个小石块,宇宙引力错综复杂,暗物质、暗能量添砖加瓦,深入到微观世界小石头的分子、原子、原子中的电子、其他基本粒子都在运动。

1905年,爱因斯坦提出了一种作为参考标准的“小石头”,即光的速度——光速C。一束光在宇宙中穿梭,如论是外星人、还是地球人看来它的速度都是一个定制,不会因为外星星球飞的快,光速就显得快(慢)。即使开着小车以无限接近于光速追着一道光,光也会以C的速度离小车而去,而路边的人看来光也是C,因此你们看到的光速都是一致的,这就是宇宙间速度的“标杆”,就像尺度的标准,即光速不变原理。

我们带着光速不变原理,再来思考一下同时性:

一个观察者坐在高速行驶的火车车厢的中间,而另一个观察者站在轨道边。火车车厢中央发出一道闪光,对于火车上的观察者来说,火车车厢的前部和后部与光源的距离是相同的。无论火车跑得多快,因为光速不变原理,光线会同时到达火车车厢的前部和后部。

对于站在轨道边的观察者来说,火车车厢的后部正朝着发出闪光的地方移动(追赶),而火车车厢的前部正远离闪光。由于光的速度是有限的,而且因为光速不变原理,对所有观察者来说在各个方向上速度都是相同的,所以光到达后部的距离要比到达前部的距离要短。因此,这些闪光会在不同的时间击中火车车厢的末端和前端。对车厢内的观察者来光前后同步达到,对外面的观察者来说不是同步的事件。

最后

对于以不同速度运动的观察者来说,这种观测时间上的差异被称为时间膨胀,这一切都是由“光速不变原理”造成的,它就像宇宙中的一把时间的“标尺”,告诉了我们时间也是相对的,并且时间和空间不可分割,光速不变原理联系起了时间与空间,因为说到时间就要提到这把时间的“标尺”,光速是一种物理量,而光本身和时间并没有什么必然的联系,并且光会在引力场中弯曲。