本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
在坊間一直盛傳著一句愛因斯坦的話:其實時間並不存在,人類其實是被記憶欺騙了。如今,我們已經不知道這句話的出處到底是在哪裡了?我詳細查閱了愛因斯坦留下來的書、筆記、訪談錄,並沒有想到相關類似的描述。雖然我並沒有辦法直接下斷言說:愛因斯坦沒有說過類似的話。但最起碼,愛因斯坦是個物理學家,他要闡述的觀點應該和物理相關,所以,我們僅從物理學的角度來看理解一下這句話。不過,這句話也和愛因斯坦的時空觀不謀而合的,這也可能是為什麼很多人會認可這是他說過的。
不過,要了解愛因斯坦的時空觀,我們就得先從牛頓的絕對時空觀說起。
牛頓的絕對時空觀
其實古人很早就開始在思考時間和空間的問題。就拿我們中國的古人來說,戰國時期諸子百家中的尸佼就在他的著作《尸子》中寫到:下四方曰宇,往古來今曰宙。
意思就是說,宇代表空間,宙代表時間,宇宙就是時間和空間的集合。之所以會有這樣的觀點,其實是因為當時的人看對於時間的概念主要來自於宇宙。月球繞著地球轉是一個月,一晝夜就是一天。
近代科學之父牛頓,1687年發表他的著作《自然哲學的數學原理》時,就詳細定義了牛頓理論的時空觀。
牛頓認為,時間和空間是分離開的。時間就是時間,空間就是空間。空間更像是一個靜止的軀殼或者說是框架。而時間呢?時間是絕對的,也就是均勻流逝的,而且是單向的,只會流向未來。換句話說,牛頓認為,時間和空間是不受運動的影響,所有的時間和空間都是一致的。實際上,這種觀念是很符合我們的直覺的,而且也是現在大多數人比較能接受的時空觀。這也被稱為絕對時空觀。
相對論的時空觀
牛頓的時空觀後來被愛因斯坦所顛覆。這其實是由光速引起來的矛盾。麥克斯韋方程可以推導出光速的表達式,結果得到的是一個恆定不變的數值,這意味著在任何慣性參考下,光速都是不變的。
科學家想要調和牛頓理論和麥克斯韋理論,於是就提出,這可能是因為光相對於它的介質的運動速度,這個介質被稱為以太。科學家花了很長時間去尋找以太,結果都失敗了。於是,愛因斯坦基於麥克斯韋得到的光速結論,提出了光速不變原理,再假設伽利略變換,推導出了狹義相對論。
而最讓人無法接受的其實是相對論的時空觀。我們可以歸納為以下幾點:
時間和空間並不是分立的,而是緊密地聯繫在一起的,應該被並稱為時空,是一個連續體。時空並不是絕對的,而是相對論的,不同的觀測者所觀測到的質量、時間、空間長度都應該是不同的。
那我們該如何去理解這兩點呢?
舉個例子,假設你在地面上,你有個朋友開著高速的飛船從你頭上掠過。
如果他以0.1倍光速通過,那你看到的應該是下面這樣:
如果是0.8倍的光速你呢?這個時候,你所看到的飛船就會變扁,也就是說空間長度縮短了。這也被稱為尺縮效應。
如果達到了0.95倍的光速,尺縮效應就會更加明顯。
如果在牛頓的絕對時空觀下,無論飛船以多快的速度掠過,你所看到的的其實都一樣。
不僅是空間長度發生了變化,實際上時間也發生了變化,我們也稱為時間膨脹。具體來說是這樣的,還假設你的朋友駕駛的飛船是0.95倍的光速。這時候,如果他正在飛船做廣播體操,而你也在原地做廣播體操,這個時候,你看到的他,就是在做慢動作的廣播體操,同樣的,他看你也是在做慢速的廣播體操,而你們自己感受到自己做的廣播體操則是正常速率的。也就是說,他相對於你來說是件發生了膨脹,你相對於他來說,也發生了時間膨脹。這是因為你們之間的相對運動速度都是0.95倍的光速。
因此,不同運動狀態下,人們所感受到的時間其實是不同的。基於這樣的認識,我們再來舉個例子,如果你在地球上,而超遠處有個外星人,當外星人相對於你是靜止的時候,這個外星人的現在就是你的現在,如果外星人駕車遠離你,那他的現在就會是你的過去。如果外星人掉頭朝向你形式,那外星人的現代就是你的未來。也就是說,過去並沒有消失,未來其實也已經存在。這就好比放電影,任意時刻的劇情其實已經定下來了,只是你的運動狀態會決定你從哪裡,以什麼樣的速度開始播放。所以,從這個角度出發,或許那一句「時間並不存在」,也可以算是說的過去了。