趣谈相对论

~ 聊斋中有一个有趣的故事，说一相貌俊美的年轻人，算是一位书生吧，得到一位叫云萝公主的仙子的垂青，与之做了几年人世间的夫妻。云萝公主与书生做了夫妻后，偶尔要回趟娘家，第一次说好只回去三天，这一去却经年不归。待公主缓缓归来后，书生抱怨公主归来何太迟，公主却说她在娘家只呆了两天半便急急往回赶了。原来天上一日便是地上一年！

中国古代神话故事中有“天上一日，地上一年”、“洞中方七日，世上已千年”这样神奇的想象，在一些志异和神话作品中多有记载和描述。像那个有名的“烂柯人”的故事：一名樵夫在山中遇童子弈棋，只是凝神观棋的功夫，樵夫却发现斧头柄已经烂了，回到乡里才知道已不知过了几世几纪。

据说爱因斯坦曾经以恋爱中的情人或蜜月中的爱人感觉时间过得快打比方，来向大众解释相对论，更流行的故事是爱因斯坦曾以这样的比方帮助读者理解相对论：你与美女一起坐上两个小时感觉像是过了一分钟，而在热炉子上坐上一分钟却感觉像是过了两个小时。这个说法最早见于1929年《纽约时报》的报道，不过报道中已经讲明，据传是爱因斯坦教给女秘书这样来打发那些好奇的来访者。这个说法以后便有了各种各样的流行版本。

爱因斯坦的这些故事大约与牛顿被树上落下的苹果砸中了头而发现了万有引力，或伽利略曾从比萨斜塔上当众抛下铁球来验证物体下落速度与物体重量无关一样，也是传说或人间神话。

我想，就算爱因斯坦喜欢以情人热恋或美女相伴的时光过得快来比方时间的相对性，最多算是开玩笑，这样的比方并没有道出相对论时间相对性的本质，只是说出了心理时间的相对性，至少现在我们还不能将心理时间的相对性与物理时间的相对性在物理学的意义上等效起来。

如果爱因斯坦知道中国神话传说中“天上一日，地上一年”、“洞中方七日，世上已千年”这样的奇思妙想，他当会大加赞赏，他更可能会借用中国神话中这样的奇幻想象，来向那些好奇的粉丝们解释相对论。

可惜爱因斯坦不了解中国文化。

当然中国神话故事中天上一日地上一年的想象，或许同样是源自对心理时间相对性的感知，就如钱钟书在《论快乐》中津津道来的：“天上比人间舒服快乐，所以神仙活得快，人间一年在天上只当一天过。”

不过，即便如此，中国神话传说中对天上人间时间快慢相对的想象仍然不失为通俗生动诠释相对论时间相对性的好例子，这样的想象恰恰道出了时间相对性的本质：在不同的世界之间时钟的快慢是不一致的。

其实，不仅仅是凡人想象神仙活得快乐，天上的神仙同样羡慕尘世的凡俗生活，所以民间神话传说中会有那么多思凡的仙子来到人间享受凡人的快乐生活，也难怪西游记里有那么多妖怪要从天上来人间快活祸害一遭。天上人间原来是互相向往，人间觉得天上是“快时光”，想必天上觉得人间也是如此吧。这倒与狭义相对论在这里不期而遇了：两个有相对运动的系统或世界互相看着对方的时钟走得慢。

中国神话传说中对天上“快时光”的想象虽然极富创造性，但只限于神话的想象，还不能说是具备了现代科学思想的萌芽。根据广义相对论，引力场使时钟变慢，那么生活在天上相对于尘世时间过的快，反而是尘世的凡夫俗子们享受“快时光”的日子，因为地面上的地球引力场强度要比白云之上大，尘世的时间流逝速度要比仙界来的慢，尽管这个差别细微得难以察觉。

不过，我们仍然可以想象神仙的世界是在另外一个引力场强度远远大于地球的遥远星际空间。当然这有点较真儿了，这是科幻式的想象，不是神话的想象。

相对论的神奇思想唤起了人类探索宇宙的无穷好奇心，激发了种种天马行空的幻想：星际迷航、时空穿越、平行宇宙，其奇幻色彩足以媲美神话想象。

相对论确立了相对时空观，颠覆了牛顿经典力学的绝对时空观，颠覆了我们常识性的认知，标志着人类科学思想的一次飞跃，是人类理性的一次胜利。

在绝对时空观里，时间流逝的速度是绝对的、恒定的：无论缓步在步行街，还是乘坐高速行驶的快车，无论是在穿越云层的飞机上，还是在星际航行的飞船上，无论是白云之巅，还是月亮之上，无论是太阳系，还是遥远的星系，时间的流逝速度都是一样的，时间的量度都是一致的，时间是宇宙中一条匀速流淌的河流，亘古不变，无始无终。

而在相对时空观里，宇宙中没有万物统一的一个时间参照，不同的系统之间、世界之间时间流逝的快慢是不同的，每个系统每个世界都有自己的时间量度，每个人都有自己的时间量度。时间不是匀速流淌的，时间的刻度会“膨胀”，时光的车轮会变速。

在绝对时空观的世界里，“同时性”有普适的意义，从来没有人会对之产生疑问，而在相对时空观的世界里，“同时性”遇到了挑战。 在绝对时空观的世界里，相思的情人可以遥想“天涯共此时”；而在相对时空观的世界里，念远的人儿却要感叹不知我的此刻是你的何时，不知我的今夕是你的何年。

在绝对时空观里，空间也是永恒的，没有起点和边界，在四面八方均匀的延展着，没有伸缩，没有弯曲，两条平行线将会平行的伸展开去，永远不会相交；空间在各个方向的度量尺度是一致的，横量竖测静量动测任你怎么测尺度都一样。

而在相对时空观里，空间是有起点和边界的，宇宙空间不再是均匀的、平坦的，空间会被物体的质量压缩、弯曲，平行线可能相交，三角形的角度之和未必是180度，圆周率未必是我们都会背诵的那个数字。空间是物质运动的属性之一，空间的度量尺度会随着物体的运动而变化，“运动的长度会缩短”，不同的世界之间空间的度量尺度不会一致。

在绝对时空观的世界里，诗人才会构想出游侠剑客出手亮剑“其疾如电光”，杀敌于“无形”的潇洒快意，而在相对时空观的世界里，这位闪电侠客却只能惊恐而尴尬的发现他快如闪电的利剑在出手的瞬间收缩成了“无形剑”，几近消失，他或许要为他的闪电般的速度付出生命代价！

在绝对时空观里，时间和空间是宇宙万物运行其中的环境，任由风在天地间任意纵横，任由光在星际间无拘无束的驰骋，任由大千世界自由的运动旋转，时间和空间只是构成物质运动其中的参照系，只是物质运动广延性和持续性的量度。

而在相对时空观里，物体的运动却是与时间和空间不可分割的，是互相纠缠在一起的，在物理事件中，时间和空间不只是构成物质运动其中的参照系，还是物质运动的属性，时间和空间不再是置身事外的看客，而是要参与到物理事件的进程中，要在其中扮演着不容忽视的角色。

在相对时空观里，物体的运动会影响时间的流逝速度和空间的尺度，物体的运动会使时钟变慢，会使空间的度量尺度缩短，物体的质量会让时空弯曲，物体的加速运动会激起“时空的涟漪”，就像落入水中的石子荡起层层波浪。而时间和空间又会反过来影响宇宙万物运动的方式，万有引力只是时空弯曲的几何效应，物体不是循着空间的直线，而是循着“时空的直线”、时空的最短距离运行。

正如著名美国物理学家约翰.惠勒的警句：“ 时空告诉物质如何运动，而物质告诉时空如何弯曲 ”。

在绝对时空观里，空间与时间互相独立，两无干涉，空间运动速度与时间流逝速度不会发生关系。

而在相对时空观里，时间不再独立于空间，时间与三维空间中的空间维度一样，变成了四维时空中的一个维度。在四维时空中，时间与空间可以互相转换。

有意思的是，相对时空观中并非任何物理量都是相对的，有个例外，就是光速。不管相对于哪个参照系，对哪个观察者而言，真空中的光速都是一个绝对不变的量，是宇宙的极限速度。爱因斯坦正是由光速不变性推论出了时间相对性原理。 空间运动速度越快，时间的流逝速度越慢，空间可以换时间，空间运动速度的增快能换得时间流逝速度的减慢，当空间运动速度达到光速时，时间将停止流逝。

我们的世界是低速运动的世界，相对论勾起了我们对高速运动的世界的遐想甚至臆想，诱惑着我们去想象高速运动的世界会是一番什么样的图景。

曾经读过一个解释相对论时间相对性的有趣儿的例子，大约是说在一列高速行驶的东方快车上发生了一场枪战，姑且认为是警匪之间的枪战吧。列车上惊恐的乘客看到的是劫匪先向警察开枪射击，然后警察开枪还击。然而一位恰巧站在车窗外铁轨路基旁的铁路工作人员却看到了不同的景象：是警察先开枪向劫匪射击，然后劫匪开枪还击。

这个例子是对相对论时间相对性的想当然的臆想。时间的快慢虽然对不同的观察者是相对的，但是时间还不能颠倒错乱。假设列车上的乘客看到的是劫匪和警察先后开枪射击，那么在高速行驶的列车外的观察者看到的是警察和劫匪向对方开枪射击的时间间隔更长了，而不会看到相反的射击顺序，不论列车以多么快的速度在行驶。而当列车的速度越来越接近光速时，对于铁轨旁的观察者来说，车厢内警匪之间对射的时间间隔将无限拉长，当然还要假设站在铁轨旁的观察者来得及看清在一闪而过的列车上发生的枪战，就算时间上来得及，以接近光速行驶的列车也已经变成一根细细的光柱了。

不知有多少诗人想在诗中变成一束光，在爱的星空自由飞翔。如果诗人的愿望成真，诗人将会惊异的发现，时间已经停止了流逝，距离已经失去了意义。我们或许想象过像光一样漫游宇宙会是世上最浪漫的事儿，但是在光的眼中，这个宇宙却没有浪漫的时空可以漫游，无论对于我们多么遥远的星际距离，对于光来说，只不过是零距离，在我们眼中浩瀚的宇宙在光的眼中大约只相当于一个时空奇点。

由时间相对性产生的科学幻想中，最让人神往的莫过于奇幻的星际旅行了：设想你未来某一天成为了一名宇航员，即将驾驶着超高速的宇宙飞船飞往银河系空间站执行太空任务，想象着你将穿越宇宙的奇妙图景，你激动不已，甚至来不及与亲友告别，和同伴驾驶着飞船以接近光速的速度飞离地球，飞越太阳系，驶向银河系的浩瀚星空。你们大约飞行了几个小时就抵达了银河系空间站，在空间站驻留了几天，执行完太空任务，然后返航，又经过几个小时的飞行，就返回了地球。可是你惊讶的发现，地球上的亲人和朋友都已经青春不再满头白发了，虽然你离开地球只有几天的时间。你仿佛穿越到了未来，只是你已经穿越不回从地球出发的那个时刻了。你恍惚经历了传说中那个“烂柯人”的奇境，幸运的是，你的亲人好友都还健在，只是老了而已。

文中开头提到的那个聊斋故事里有一个细节：云萝公主要回天上，婢女会取出一状似皮排的东西，就地鼓气，四下喷射云气，然后杳然不见。我们自然可以推想云萝公主是乘坐皮排往返于人间天上，不像《西游记》里的神仙跨着神兽或踏着祥云往来于仙凡两界。这个细节似乎增加了故事情节安排的合理性，不知是作者蒲松龄的精心构思还是随意描写。也许有牵强附会之嫌，这个细节难免让我们将云萝公主乘坐的皮排想象成一种高速飞行器，就像遨游太空的飞船，公主往返天上人间只用了数日的时间，可是对在人间慢节奏生活的书生来说，却已经过了几年。

“一寸光阴不可轻”，知道了时间流逝的快慢取决于运动的速度，我们或许可以从一种全新的维度获得对生命的感悟，“生命在于运动”就有了新的诠释。懂得了时间的相对性，懂得了时间与运动的关系，我们更应该珍惜每一寸光阴，让生命在律动中精彩丰盈起来，那样将来有一天我们或许可以自诩归来依旧是少年；否则我们蹉跎了半生的岁月，或许只是别人几个钟点儿的光景。 当然，你可以当这儿是玩笑话儿。

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