“现在是几点钟?”看似不经意的一问,答案却如万花筒般变幻莫测。
若有同事在旁,他们可能会告诉你,“现在是上午十点整。”而若你远隔重洋的朋友来电,他会告诉你,“现在是晚上十点。”巴黎的朋友,可能会带着睡意告诉你,“现在是凌晨三点,为何这么早打电话?”而在外太空的空间站,宇航员会告诉你,“现在是凌晨两点整。”尽管空间站每天经历十六次日出日落,他们所遵循的却是世界标准时间,这与北京时间相去甚远。
我们所见,一个简单的问题,答案却是五花八门。这些答案哪个是正确的呢?事实上,它们都是正确的,因为时间是人为定义的,不同的时区自然有不同的时间。空间站的时间和地面的时间其实有着本质的不同。地面时间,我们日常的钟表时间,如果有误差,我们可以手动调整;而空间站的时间却是由原子钟自动校准的。
为何要这样做呢?毕竟,我们通常认为时间是客观的、恒定的,并且在宇宙的任何角落都是如此。然而,时间并非如我们所想的那般客观不变,地球上的每一个人可能都在体验着不同的时间流逝速度——尽管这种差异微乎其微,我们甚至觉察不到。
空间站的时间和地面时间为何总是存在差异?这是因为,为了避免时间差异带来的困扰,人们会调整空间站上的时钟。那么,空间站和地面的时间差异究竟有多大?据测算,空间站的时间每天要比地面时间快大约38微秒。这看似微不足道的38微秒,却因为卫星定位系统对时间精度的苛刻要求,随着时间的累积,误差会逐渐放大。如果不进行调整,导航系统将迅速出现数千米的偏差,导致系统失灵。
那么,为什么空间站和地面的时间会有所不同?爱因斯坦的相对论给出了答案。相对论指出,速度越快,时间就相对越慢;而引力越大,时间也会相对越慢。这就是所谓的时间膨胀效应。卫星定位系统的卫星通常位于两万公里以上的高空,速度极快,可达每小时14000公里。
由于速度极快,卫星上的时间会膨胀,相对地面时间每天慢大约7微秒。而由于高度的原因,卫星所受的地球引力较小,从而使得卫星上的时间每天快约45微秒。综合考虑速度和引力的影响,卫星上的时间每天实际上快约38微秒。
这就是爱因斯坦相对论所描述的相对时间,它彻底颠覆了牛顿力学体系下的绝对时空观。然而,时间的相对性常使人感到困惑,因为我们不知道该相信哪一个时间,也不知道哪个时间才是正确的。这也是爱因斯坦相对时空观的核心,它表明时间和空间都是相对的,没有绝对的时间和空间。
为了更清楚地了解时间的相对性,让我们假设一个情境。假设你乘坐一艘接近光速的飞船前往4.2光年之外的比邻星。忽略加速和减速,飞船以接近光速的速度匀速前进。对于地球上的我来说,你会在大约4.2年后到达比邻星。在这四年多的时间里,我可能会经历许多事情。
然而,对于飞船中的你来说,由于速度接近光速,会出现明显的时间膨胀效应和尺缩效应。这意味着,在你看来,你的时间几乎是静止的,你可能一瞬间就到达了比邻星。如果你恰好打了一个喷嚏,在我看来,你甚至还没打完喷嚏就已经到了比邻星。也就是说,你打喷嚏的瞬间,我度过了四年多的时间。
对于你自己来说,你的时钟当然不会静止,因为每个人都有自己的本征时间。也就是说,你在飞船上的体验和在地球上没有太大区别。如果你在飞船内看不到外面的景象,你甚至可能不知道自己在一艘飞船上。
然而,对你来说,你可能只是瞬间就到了比邻星。虽然你的时间似乎和在地球上一样流逝,但因为你的速度接近光速,会出现明显的尺缩效应。在你看来,远在4.2光年外的比邻星似乎一跨步就能到达。这就是尺缩效应。在你看来,地球和比邻星之间的距离远比4.2光年短,具体有多短,取决于你的速度有多接近光速。
这里涉及到的“双生子佯谬”问题,即地球上的我老了4.2岁,而飞船中的你几乎没有任何衰老的迹象。因为我度过了4.2年,而你的时间只过去了一瞬间。
进一步讲,如果想要永生,理论上只需以无限接近光速的速度飞行即可。因为你的速度足够接近光速,在你看来,宇宙的时间可能已经过去了无限久,宇宙可能已经走到了尽头。
虽然相对论中的相对时间让许多人感到困惑,但无数的实验都证明了相对论的正确性。很多人可能会问,为什么宇宙中没有统一的时间标准?为什么生活在同一个世界中的每个人都有不同的时间?这就是时间的奥秘,每个人都只需对自己口袋里的时钟显示的时间负责,这在物理学中被称为“本征时间”。
事实上,除了你自己的时间,其他人的时间对你来说都没有意义。只有同一参照系下的时间对比才有意义,因为不同的参照系意味着不同的时空。
例如,假设5000光年外有一个黑洞,旁边有一颗行星,住着外星人。由于靠近黑洞,外星人的时间流逝速度比地球慢。但这种时间快慢的对比没有意义,因为无论是人类还是外星人,都无法感知到时间到底是快了还是慢了,除非人类去到外星人所在的星球,或者外星人来到地球。
理论上讲,如果外星人过一年,人类可能过了成千上万年,但这又有什么关系呢?人类和外星人本来就生活在不同的时空,只需对自己所处的时间负责,对方的时间快慢与自己无关。
如果外星人的寿命是一百岁,那就是一百岁,不会因为他们的时间变慢而变成一千岁。当然,如果从黑洞附近的外星人角度来看,他们确实可以“穿越”到地球的未来,但仅此而已。
总结来说,时间是真实存在的,每个人的时间流逝速度都不同,这种不同只是相对于其他人而言的,每个人都无法感知到这种差异。