曾经有句老话说,“心急吃不了热豆腐”,这话就像在告诉我们,盯着那壶水,它也不会因此加速沸腾。而对比之下,大学的一次枯燥讲座,似乎每一秒都拖曳着沉重的步伐,漫长到让人怀疑时间是否静止。但与此同时,快乐的周末和假期却仿佛转瞬即逝,尚未开始便已结束。
我们对时间的感知,取决于我们对其的投入。在身体内部,有一个精密的时钟,它能精确地计算每一秒,每一分。而生活中的点点滴滴,就像是记忆的层叠,叠加在一起,便构成了我们对时间的感知。然而,有时候,我们的大脑对视觉图案的解读,会欺骗我们,让我们对时间有了偏差的感觉。
然而,这只是一种主观的感知,秒就是秒,世纪就是世纪,尽管时钟的指针不断跳动,但它们的每一次跳动,其实都是微观世界的奇迹。
钟表的指针,不过是物质的一片,每一次跳动,都是亚原子层面无数的交互。那些在金属晶格中振动的原子,它们构成了齿轮,而齿轮的转动则是由电子在轨道上的闪烁和夸克组成的质子所维持,所有这一切运动,共同构建了一个连续不断的时间膨胀。
但每一个组成部分,真的对时间有着同样的感受吗?
对于原子和它们的核,它们对时间的感受或许与时钟相同,但即使是地球上最精确的原子钟,每天也难免慢上十亿分之一秒。然而,一秒对于所有的原子而言,都是一样的长度,但夸克和电子呢?这足以颠覆我们对时间的传统理解!
原因何在?答案是:运动。
显然,时间的流逝与物体的运动密切相关。相对你移动得越快的物体,你看起来它的时钟就走得越慢。而对以光速移动的粒子而言,时间仿佛静止了,因为它们的时钟不再转动。
电子和夸克在原子内部以极高的速度移动,它们所经历的时间与原子本身所经历的是不同的。可以说,基本粒子本身没有时间的概念,时间的流逝只在它们被束缚于物质中时才会出现,原子的时间流逝与内部的运作并不一致。
时间取决于运动,反之,也说明了光速运动的粒子没有时间,以及质量与时间之间存在本质的联系。
设想一个由两面镜子和一个在其间移动的光子组成的时钟,光子的每一次往返代表时钟的一次跳动。在时钟相对我们移动之前,其速率是不变的,时间流动也显得平缓。
如果镜子朝一侧移动,在我们看来,光子的路径成了一个更长的斜线。但不论如何,光速是恒定不变的,所有观测者都会看到光子以相同的速度移动,不管他们自身的速度如何。
回到那个时钟,在我们看来,光子需要更多的时间来完成一个往返,因为它需要走更长的距离,而速度不变。因此,在我们看来,移动的光子时钟比静止的时钟走得慢,而跟随光子时钟的人则认为他的钟速度正常。
这就是爱因斯坦狭义相对论中的时间膨胀,它已经被科学实验严密论证,而不仅是一种思想实验。
那么,如果光子钟以光速移动,会发生什么?
随着速度的增加,光子能够到达镜子的距离也越来越远。当速度达到光速时,这一距离将变得无限大。在我们看来,光子无法再触及镜子,光子钟也不再前进,时间仿佛静止了。
此外,同样的道理也可以用来解释加速系统中的光子钟。例如,在火箭上的光子钟比非加速系统的钟走得慢,因为加速系统中光子的运动总距离更大。
然而,爱因斯坦的等价原理指出,处于强引力场中的系统与加速系统大体等价,因此引力场越强,时钟走得越慢,这就是广义相对论中的引力时间膨胀。
那么,那个奇怪的光子钟例子与真实的时间与物质到底有什么关系?如果光子钟有这样的特性,那么光子盒也一样,它们本质上是相同的。在高速运动的光子盒中,其内部粒子与墙壁碰撞的距离比静止的光子盒要大。这里要注意,这与获得质量的加速光子盒不同,我们讨论的是一个高速但匀速运动的物体。
我们知道,原子及其核与光子盒相似,都是由能以光速移动的物质组成,但它们受到束缚。夸克和电子首先被希格斯场限制,然后被使它们束缚在原子中的力所限制。因此,当一个原子高速经过你时,它的内部粒子似乎都慢了下来,与光子钟非常相似。
在原子内部,时钟的每一步都是内部粒子和场间相互作用的结果。场中的内部组分交换能量、动量和其他属性,正是这些相互作用维持着原子的稳定,发生的速率代表了原子从一种状态向另一种状态转变的速度,也就是衍变的速度。
对于高速运动的物体,内部作用所驱动的衍变发生得越慢,时间也慢了下来。如果速度足够快,那么时间几乎不会流逝。
因此,对光速粒子的限制赋予了物质质量,而这一限制,这一充满能量的移动块正是物质本身。然而现在看来,正是这一团光速粒子赋予了物质时间。原子通过其内部的衍变感受到时间,如同我们通过大脑中的图像变化感知时间一样!