本文将会结合狭义与广义相对论,来解读时间的快与慢,其中包含了时间膨胀(钟慢效应、尺缩效应、双生子佯谬)、微观的时间、光速不变原理、时间静止、超光速、人类的时间等主题。最后,还会从生物学角度探讨了人类对时间的感受,即大脑中的时间,以及衰老与时间的关系。
本文讨论的前提结论,即时间的本质——在宏观上是描述物质变化的计量,在微观上是量子态的计数,且时间和空间是不可分割的一个整体,称之为时空。具体解释参见(科学解读:什么是时间?什么是空间?它们的本质是什么?),这里不再赘述。
时间膨胀效应
时间膨胀效应,就是时间会变慢,也就是时间的流逝速度会变慢,而我们的时钟记录的,其实并不是时间的流逝速度,而是在时间流逝速度下——累积经历了多少时间。于是,时间变慢,最终就会让积累的时间变少——也就是时钟的记录信息减少,即钟慢效应。
而在狭义与广义相对论中,已经明确给出了,可以产生时间膨胀效应的原因和路径,并且都经过了实验的证实。接下来,我们就会从这两个不同的理论视角,去分别解读——时间膨胀的现象和背后的原理。
狭义相对论中的时间膨胀
狭义相对论指出,在惯性系中(匀速运动),速度越快时间越慢。
通俗的来说,就是如果我们测量一只,匀速运动的时钟——向着我们远离或靠近都可以,就会发现运动时钟的时间变慢了,而如果我们以同样的速度和运动的时钟一起运动——产生相对静止,那么此时运动时钟的时间就不会变慢。
这里有两点需要注意:
第一,就是运动速度需要抵达光速的十分之一(10%),时间膨胀效应才会比较明显,即时钟计时变慢的比较明显。(目前人类火箭的速度是光速的0.0054%)
第二,就是运动的时钟并不是“普通时钟”,而是“放射性衰变时钟”,因为放射性物质包含着一个完全确定的时间标尺——就是它的半衰期。
钟慢效应
这个相对匀速运动使时间变慢的现象,就是狭义相对论中的钟慢效应,且早已被各种实验所证实——比如,μ子(Muon)实验:
Muon是一种轻子,其半衰期为2.2微秒,地球上可以观察到来自宇宙的速度接近98%光速的Muon——这就构成了相对匀高速运动的时钟。
接着,我们测一下高山上Muon的密度,再测一下地面上Muon的密度,按照Muon的半衰期时间计算,Muon在地面上应该已经衰减一大半了,因为从山顶到地面的时间——已经是Muon好几个半衰期的时间了。但经过实际实验发现,地面上Muon的衰减数量要少的多。这是为什么呢?
原因就在于,从地面的静止观测角度来看,Muon的高速运动,让其出现了钟慢效应,也就是半衰期变长,所以才会有更多的Muon出现在了——本来不应该出现在的地面。
尺缩效应
然而,如果认可了时间和空间,是不可分割的时空,那么显然,时间的上的钟慢效应,也会让空间上,同时出现某种效应——这就是尺缩效应。
尺缩效应,是指相对匀速运动物体,其运动方向上的长度,要短于静止的时候——也就是长度收缩,并且运动速度越快,物体长度越短,但在其垂直运动方向上的长度不变。
那么,物体的长度与空间,又有什么关系呢?
这其中的奥秘就在于,我们如何知道物体的“长度”——其实,就是必须同时获得物体两端的空间位置,从而才能计算出物体的长度。于是,长度其实就是我们观测到的空间性质。而这里体现出的时空特性就是——时间变慢,空间就会变短,前者就是钟慢,后者就是尺缩。
然而,这里需要说明的是,并没有实验直接证实了——尺缩效应的物理存在,也就是说,并没有实验观测出,物体在运动状态下,其运动方向上的长度会收缩。(注意,这里也没有实验证明尺缩效应不存在,而是没有设计相关实验)
实际上,钟慢与尺缩效应在数学上(洛伦兹变换),是互相依存的等价关系,也就是说一个成立,另一个就必须成立,要么都成立,要么都不成立。可见,如果实验证明了钟慢效应,那么尺缩效应在逻辑上,就是不证自明的。
历史上,洛伦兹首先推导出了长度收缩公式,并提出了长度收缩假说,即物体会在运动方向上收缩,导致其密度增大。
那么,为什么两个等价的效应,钟慢可以被实验证实,尺缩却不行呢?这就要说到,这两个效应的相对性。
钟慢和尺缩的相对性
在狭义相对论的视角下,时间膨胀效应是相对的,也就是说钟慢和尺缩效应也是相对的。
意思就是:从运动时钟的惯性系观测——就是静止的时钟变慢了,自己的时间不变;从运动物体的惯性系观测,就是是静止的物体变短了,而自己的长度不变。这种相对性,就是相对于不同的参考系,结果都是不一样,没有一个对任何参考系都一样的绝对性。
那么显然这种相对性,就表明了钟慢与尺缩,是相对运动产生的观测信息的变化,而不是物理实质的变化。因为一旦相对运动消失——也就是相对静止,那么钟慢与尺缩的效果就会消失——恢复正常。而爱因斯坦也曾亲自说过,长度缩短是由于测量者处于不同参考系引起的,不是实际的缩短。
同时,这种相对性,也就可以让钟慢实验“反过来”可以证明尺缩效应。
还是那个μ子(Muon)实验,上次我们解读的视角是,地面静止,Muon高速向地面运动,得到的结果是Muon钟慢;这一次我们利用相对性,换一个视角,把Muon看成静止,那么就是地面在高速向Muon运动。于是,地面包括整个地球都会在运动方向上“收缩”——结果整个运动路径上的空间(长度是空间的观测性质)都会缩短,因此Muon就会存在于更加靠近地面的地方,而不是提前衰减消失。
至于,为什么没有实验,直接去验证尺缩效应,一方面是因为验证实验难以设计——这需要把宏观物体加速到,相对论效应显著的速度(大于光速的十分之一),另一方面是因为证明钟慢就等价于证明尺缩了。这就像在数学上,存在一个无法直接构造证明的命题,却可以通过反证法证明,接着人们对直接构造证明这个命题,也就失去了兴趣。