齊林

對你而言，“時間”和“空間”意味著什么呢?也許在你想象的畫面中，空間是寒冷冬夜里繁星點點的浩瀚蒼穹，又或許是裹著星條旗拖著金色尾巴的火箭將神采奕奕的航天員送入孤獨的衛(wèi)星軌道時，身後留下的一片空虛。而時間也許就是手表上滴答作響的時針，抑或是隨著太陽第50億次向北傾斜中，慢慢變黃的葉子。古往今來，我們都在這個藍色星球上生活著，直觀地感受著時間和空間。

19世紀末，人類在好似沒有任何關聯(lián)的幾個領域內(nèi)相繼取得了重大的科研突破，這些科學成就促使物理學家重新審視我們眼中的時間和空間，以及那些停留在直觀層面上的認識。不久之後的20世紀初，愛因斯坦的導師及同事閔考斯基這樣寫道：“從現(xiàn)在開始，時間與空間已不再各自獨立存在，取而代之的是二者混合體的誕生?！边@段著名的宣言，直接宣判了古代關于天體運行等天文理論的死刑。

那么，閔考斯基所說的“時間和空間的混合體”到底是什么呢?要了解這個帶有濃重神秘色彩的新名詞，我們就必須了解愛因斯坦的狹義相對論。在狹義相對論里，我們第一次看到了E=mc²這個著名的公式。由此，在繼續(xù)探索宇宙奧秘的旅程中，光速c進入了我們的視野，并牢牢地站在科技大舞臺的正中央。

愛因斯坦狹義相對論的核心內(nèi)容是對時間及空間的描述。其中最重要的一個概念是一種速度，一個宇宙中任何事物都不可能超越的極限速度，也就是光速。在真空中，光速可以達到每秒299792458米。光以這個速度從地球出發(fā)，經(jīng)過8余分鐘可以到達太陽，10萬年後能穿越我們所在的銀河系，超過200萬年後可到達仙女座星系——我們在宇宙中最近的鄰居。

每當夜幕降臨，地球上最大的天文望遠鏡就會將目光投向宇宙深處，盡全力去捕捉最深處的點點光芒，而發(fā)出這些光芒的恒星此刻可能早已消亡。比地球從一團星云中誕生還要早幾十億年，也就是在大約100億年前的時候，這些星光便開始了自己的旅程。光速極快，但相對于星際間的遙遠距離，卻顯得那么微不足道。我們能通過類似于歐洲核子研究組織在瑞士日內(nèi)瓦的大型強子對撞機這樣的設備，把一些非常小的物體加速至接近光速，差距僅約光速的1％。

這個特殊速度的存在，或者說是宇宙航速極限的存在，本身就是一個奇怪的概念。如同我們接下來會揭示的那樣，將這個速度和光速聯(lián)系起來其實是一個障眼法，而在愛因斯坦的理論中，它將扮演更重要的角色。同時，光為什么以每秒299792458米的速度前進，也自有其原因。當然，這些都是後面的內(nèi)容?，F(xiàn)在，我們僅僅需要知道當物體以接近于光速的速度移動時，意想不到的事情便會接踵而來。有沒有任何其他原因在阻止物體以超越光速的速度運行呢?因為我們對“沒有任何物體的速度能超過光速”這句話的感覺，就好像“不論發(fā)動機的功率有多大，自然法則都將導致我們的車速無法超過每小時100千米”一樣令人費解。

顯而易見，自然法則不像道路限速那樣需要交通管理部門來貫徹執(zhí)行，因為整個時間和空間都是依照自然法則形成的，這些自然法則是無法在這樣的世界里被打破的。如果它們被打破，這個世界中便會產(chǎn)生很多無法預料的結果，這不能不說是我們的幸運。我們會發(fā)現(xiàn)，如果我們能超光速移動，那么人造時間機器就能回到歷史上的任意時刻。

讓我們想象一下，出于某種目的或是不小心，我們回到了自己出生之前的某個時刻，并阻止了自己父母的相知相識，然後會發(fā)生什么?

這類情節(jié)經(jīng)常出現(xiàn)在精彩的科幻小說里，但是真實的世界卻無法如此編排，愛因斯坦的研究也表明我們的世界不是那樣形成的。時間和空間以一種精妙的方式交織在一起，避免了這些似是而非的觀點的產(chǎn)生。但是，為了究其原理，我們需要付出代價，必須舍棄一些根深蒂固的關于時空的觀念。

在愛因斯坦描述的宇宙中，移動的鐘表會變慢，運動的物體會縮小，人們可以到幾十億年之後的未來世界旅行。同樣在這個宇宙中，人們的生命可以被無限延長，長到人們可以看到太陽燃盡，海水蒸干，目睹整個太陽系陷入永恒的黑暗。人們還能見證新的恒星和行星從星塵中誕生的過程，甚至可以看到新的生命萌發(fā)在宇宙的某個角落，即使作為他們家園的那顆星球目前還不存在……

愛因斯坦的宇宙能開啟人們通往遙遠未來的高速通道，同時也能將回到過去的大門死死關閉。

那么，愛因斯坦是如何“被迫”得出這如夢似幻的宇宙觀，而他的觀點又是如何被許多科學實驗及實際科技運用并證明是正確的呢?

以車用衛(wèi)星導航系統(tǒng)為例，它的設計就考慮到地球衛(wèi)星軌道中的時鐘和地面上的時鐘快慢不一樣的問題。愛因斯坦的想法是大膽的：時間和空間的真面目并不是它們表面上看起來的那樣!

現(xiàn)在，我們有點超前了。在能夠充分理解和體會愛因斯坦的非凡發(fā)現(xiàn)之前，兩個在相對論中占有核心地位的概念值得我們仔細思考，那便是時間和空間。

想象一下，自己正在天上的飛機里讀書。當時針指向12時時，你看了一眼手表，決定放下書，離開座位，經(jīng)過走道，去和坐在你前面十排的朋友聊聊天。15分鐘後，你回到自己的位置，重新拿起書。常識告訴你：自己回到了原位。因為你經(jīng)過了同樣的十排座位原路返回，并且回到了你之前擱下那本書的位置。

我們不妨更深一層地思考一下這所謂的“原位”。也許你覺得這毫無必要，甚至有點陳腔濫調(diào)，因為當我們平時提到原位的時候，大家都明白它的意思。例如，和朋友約在一家酒吧聚會，從相約到相見的這段時間當中，酒吧不會移動，自然也就一直處于原位。而當我們歡聚離開之後，酒吧也很可能一直保持在那個原位不變。很多概念和推理表面上看是毫無必要的，不過還是請你跟我一起思考。仔細思考這些看起來顯而易見的東西，它們將帶領我們追尋亞里士多德、伽利略、牛頓和愛因斯坦這些科學巨匠的足跡前行。

那么，我們?nèi)绾尾拍芫珳实囟x“原位”這個概念呢?全球定位系統(tǒng)給我們提供了一些參考。虛擬的經(jīng)線和緯線縱橫交錯地布滿地球，這樣地面上任意一點都能用兩個數(shù)字表示，即經(jīng)度和緯度，我們能夠輕而易舉地運用經(jīng)緯來定位點。例如英國曼徹斯特市在地球上的坐標為北緯53°30′、西經(jīng)2°15′，只要我們都同意格林尼治子午線以及赤道在地球上的位置，這個坐標就能告訴我們到哪里可以找到曼徹斯特市。參照這個全球經(jīng)緯系統(tǒng)，我們能聯(lián)想得到，如果想在空間中定義任意一點，我們可以建立一個虛擬的三維坐標系統(tǒng)。這個系統(tǒng)可以由地表向上，在大氣層中無限延伸，亦可向下穿過整個地心，從地球的另一邊出來。運用這個系統(tǒng)，我們就能描繪世上萬物的位置，不論它是在地表、空中還是地下。也可以不僅僅局限于地球，讓系統(tǒng)繼續(xù)向外延展，超越月球、木星、海王星、冥王星，甚至跨過銀河系的邊緣，向更遠的宇宙延伸而去。有了這樣一個接近無限大的坐標系統(tǒng)，所有物體都可以被打上坐標。用伍迪艾倫的話來說，如果你是那種從來記不住東西放在哪兒的人，有這樣一個系統(tǒng)是非常方便的。這個巨大的坐標系統(tǒng)為宇宙里的所有物體都定義了一個確切的存在位置，就好像一個巨大的箱子里裝著宇宙萬物。也許，這樣一個坐標系統(tǒng)可以被稱為“空間”。

讓我們重新回到剛才關于“原位”的問題以及飛機的例子。

在飛機的例子中，你也許認為12時15分時自己在空間中的位置和12時時完全相同。但是，如果在這段時間內(nèi)，恰巧有個人站在地面上抬頭看你所乘坐的飛機，他眼中的這一系列活動又該是怎樣的呢?對他來說，飛機在天空中以每小時1000千米的速度飛過，從12時－12時15分這15分鐘里，你移動了250千米。換句話說，在這兩個時間點上，你處在兩個不同的位置。

到底誰的說法是對的呢?誰在這15分鐘里移動了，誰又是靜止不動的呢?