□ 趙 爽

“在很久以前……”這是每個(gè)好故事都會(huì)出現(xiàn)的開(kāi)頭，但是關(guān)于時(shí)間的故事是什么?

人們說(shuō)“時(shí)光荏苒”、“時(shí)間就是金錢”、“我們浪費(fèi)時(shí)間”、“消磨時(shí)間”、“我們?cè)噲D節(jié)省時(shí)間”……，但是我們真正了解時(shí)間嗎?

過(guò)去，人們認(rèn)為時(shí)間是絕對(duì)的，它就像一條奔流不息的大河，從過(guò)去到現(xiàn)在，再到未來(lái)，對(duì)于河中泛舟而行的我們來(lái)說(shuō)都是完全一樣的。但是，我們?cè)谶^(guò)去一個(gè)世紀(jì)中的發(fā)現(xiàn)證明這種認(rèn)識(shí)可能并不正確，事實(shí)證明時(shí)間可以“減慢”或者“加速”。也許，我們對(duì)于時(shí)間的大部分認(rèn)識(shí)只是種幻想，與我們的常識(shí)相反，也許時(shí)間根本沒(méi)有流動(dòng)——我們的過(guò)去不會(huì)消失，我們的未來(lái)也許已經(jīng)存在。但是事情怎么會(huì)這樣？我們對(duì)于熟悉的事物怎會(huì)錯(cuò)的如此離譜?假如時(shí)間不是我們想象的那樣，那么它會(huì)是怎樣的?接下來(lái)，讓我們一起探索。

日晷

對(duì)于時(shí)間的認(rèn)識(shí)從測(cè)量它開(kāi)始

如何著手去解開(kāi)時(shí)間這個(gè)深?yuàn)W難懂的謎團(tuán)?我們首先想到的一種方法就是測(cè)量它。幾千年前，人類就開(kāi)始測(cè)量時(shí)間,并在隨后的日子里創(chuàng)造了各種不同形狀、尺寸和樣式的鐘。

第一個(gè)可以稱之為“鐘”的物體是地球，它每天只會(huì)“滴答”一聲。地球日復(fù)一日地繞著地軸旋轉(zhuǎn)，因此地球的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以用來(lái)度量時(shí)間。我們一直在尋找各種具有周期性運(yùn)動(dòng)規(guī)律的事物，然后利用這種具有周期性的事物作為時(shí)鐘。通過(guò)一個(gè)日晷測(cè)量地球的運(yùn)動(dòng)，我們將一天分為小時(shí)；根據(jù)鐘擺的擺動(dòng)，我們將小時(shí)劃分為分鐘和秒；根據(jù)石英晶體的振動(dòng)，我們把時(shí)間的測(cè)量精度提高到千分之一秒。當(dāng)然，如果要問(wèn)目前世界上最精確的鐘是什么，那可要數(shù)大名鼎鼎的銫原子鐘了。當(dāng)一個(gè)銫原子被外界的能量轟擊時(shí)，它發(fā)生振動(dòng)并向外發(fā)出頻率為9192631770Hz脈沖信號(hào)。換句話說(shuō)，每當(dāng)銫原子震蕩9192631770次后，一秒鐘就過(guò)去了。這個(gè)精度是非常驚人的，每隔幾個(gè)月，我們的手表就會(huì)走快或走慢一秒，但是對(duì)于銫原子鐘，幾千萬(wàn)年內(nèi)才可能走快或走慢一秒鐘。

幾百年來(lái)，我們一直在謀求通過(guò)一種更精確的時(shí)間測(cè)量手段代替另一種時(shí)間測(cè)量手段，并帶來(lái)了人類文明的進(jìn)步，從而為我們的生活帶來(lái)了翻天覆地的變化。比如，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用的GPS等全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其空間段衛(wèi)星的核心部件就是用來(lái)授時(shí)的原子鐘。因?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位的基本原理，就是通過(guò)計(jì)算4顆以上的衛(wèi)星到用戶手中接收機(jī)的信號(hào)傳輸時(shí)間，再乘以光速得到用戶與這些衛(wèi)星的距離，從而計(jì)算出用戶的位置的。

愛(ài)因斯坦改變了我們對(duì)于時(shí)間的認(rèn)識(shí)

不管我們的時(shí)鐘變的多精確，時(shí)間仍然很神秘。時(shí)鐘能告訴我們現(xiàn)在是什么時(shí)間，但是它們不能告訴我們時(shí)間的本質(zhì)。一直以來(lái)，人們都認(rèn)為時(shí)間是絕對(duì)的，不會(huì)減慢也不會(huì)加速，只是在均速的滴答聲中流逝?！皶r(shí)間是宇宙的一種永恒不變的性質(zhì)，時(shí)間總是以同樣的速度改變，時(shí)間不隨外物而變”，這是由現(xiàn)代科學(xué)之父艾薩克·牛頓做出的對(duì)于時(shí)間的常識(shí)性描述。不過(guò)，在20世紀(jì)初，一個(gè)叫阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的年輕人改變了人們的看法。

在愛(ài)因斯坦的理論中，每個(gè)人都有自己的時(shí)間，每個(gè)人的時(shí)間都以不同的速率運(yùn)行。也就是說(shuō)，沒(méi)有所謂的宇宙標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，事實(shí)上宇宙有各種不同的時(shí)間。愛(ài)因斯坦所指出的是，在空間的運(yùn)動(dòng)和時(shí)間的流逝之間有一種極為微妙而又深遠(yuǎn)的聯(lián)系，空間的運(yùn)動(dòng)會(huì)影響時(shí)間的流動(dòng)。舉個(gè)例子,如果我就站在你面前，如果不動(dòng)，你會(huì)覺(jué)得我是靜止的，這樣其實(shí)并不全面，因?yàn)樵诳臻g上我是靜止的，但是在時(shí)間上我卻是運(yùn)動(dòng)的，比如至少你看到了我的表還在走。接下來(lái)，如果我向你走來(lái)，那么會(huì)發(fā)生什么呢？按照愛(ài)因斯坦的理論，在你看來(lái)，我的表會(huì)走慢了，當(dāng)然這種變化你是察覺(jué)不到的，因?yàn)槲疫\(yùn)動(dòng)的速度太慢了。如果我是以接近光的速度朝你接近，那這種現(xiàn)象將非常明顯，這就是著名的“鐘慢”效應(yīng)。

對(duì)于正在移動(dòng)的人，時(shí)間變慢了，這看起來(lái)匪夷所思了。在愛(ài)因斯坦之前，沒(méi)有人曾預(yù)見(jiàn)過(guò)這種事情可能會(huì)發(fā)生。我們?cè)谌粘Ｉ钪袥](méi)有看到過(guò)這樣的事情，只是因?yàn)樵诘厍蛏线@么慢的速度下，動(dòng)作對(duì)時(shí)間的影響太小了，以至于我們沒(méi)有察覺(jué)，但這些影響是真實(shí)的，并且能被測(cè)量。為了驗(yàn)證這個(gè)現(xiàn)象，所需要的就是兩個(gè)原子鐘和一架噴氣式飛機(jī)，而這個(gè)實(shí)驗(yàn)在1971年已經(jīng)做過(guò)。科學(xué)家讓一個(gè)原子鐘繞地球飛行，然后和地上的那個(gè)原子鐘比較。就像愛(ài)因斯坦預(yù)測(cè)的那樣，這兩個(gè)鐘不再相互一致，雖然兩者之間的時(shí)間差只有幾千億分之一秒，但這非常有力地證明了運(yùn)動(dòng)對(duì)于時(shí)間流動(dòng)的影響。

些許有些人會(huì)覺(jué)得愛(ài)因斯坦對(duì)于時(shí)間的理論離我們的日常生活太遠(yuǎn)，就算它是正確的，但是對(duì)于我們的日常生活沒(méi)有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。可是，實(shí)際上，愛(ài)因斯坦的相對(duì)論已經(jīng)在我們的生活中廣泛應(yīng)用了。還以前文的GPS系統(tǒng)為例，在十幾年前，GPS還是高尖端的東西，而現(xiàn)在它已進(jìn)入了普通人家，現(xiàn)在只要花幾百塊錢買一個(gè)帶GPS的手機(jī)，就可以隨時(shí)知道自己在地球上的準(zhǔn)確位置。前文已經(jīng)提到，GPS是時(shí)間測(cè)距系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)量從GPS衛(wèi)星到用戶的信號(hào)傳播時(shí)間再乘以光速來(lái)測(cè)量衛(wèi)星到用戶的距離，而由于衛(wèi)星的位置是已知的，因此最終計(jì)算出用戶的位置。所以，時(shí)間計(jì)量是GPS系統(tǒng)工作的根本。GPS衛(wèi)星以每小時(shí)14000千米的速度繞地球飛行。根據(jù)狹義相對(duì)論，當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，時(shí)間會(huì)變慢，運(yùn)動(dòng)速度越快，時(shí)間就越慢。因此在地球上看GPS衛(wèi)星，它們攜帶的時(shí)鐘要走得比較慢，用狹義相對(duì)論的公式可以計(jì)算出，每天慢大約7微秒。而GPS衛(wèi)星位于距離地面大約2萬(wàn)千米的太空中。根據(jù)廣義相對(duì)論，物質(zhì)質(zhì)量的存在會(huì)造成時(shí)空的彎曲，質(zhì)量越大，距離越近，就彎曲得越厲害，時(shí)間則會(huì)越慢。受地球質(zhì)量的影響，在地球表面的時(shí)空要比GPS衛(wèi)星所在的時(shí)空更加彎曲，這樣，從地球上看，GPS衛(wèi)星上的時(shí)鐘就要走得比較快，用廣義相對(duì)論的公式可以計(jì)算出，每天快大約45微秒。在同時(shí)考慮了狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論后，GPS衛(wèi)星時(shí)鐘每天還要快上大約38微秒，這似乎微不足道，但是不要忘了測(cè)量距離=時(shí)間×速度，如果把38微妙乘以光速那么距離誤差將達(dá)到10千米以上，那GPS就沒(méi)有意義了。正是考慮到這一影響，并加以修正，GPS系統(tǒng)才得以良好工作并為我們的生活帶來(lái)了巨大便利。

銫原子被外界的能量轟擊后向外輻射脈沖信號(hào)

采用時(shí)間測(cè)距原理的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),每次定位解算至少需要四顆衛(wèi)星

過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)也許“就在那兒”

當(dāng)發(fā)現(xiàn)了時(shí)間和空間之間這意想不到的關(guān)系之后，愛(ài)因斯坦意識(shí)到時(shí)間和空間再也不能被單獨(dú)地看作是獨(dú)立的事物了，時(shí)間和空間是互相聯(lián)系的，因此被稱為“時(shí)空”。這種將時(shí)間和空間互相聯(lián)系的想法，使愛(ài)因斯坦領(lǐng)悟了世上最離奇費(fèi)解的一個(gè)結(jié)論：也許，我們對(duì)于時(shí)間的大部分認(rèn)識(shí)只是種幻想，與我們的常識(shí)相反，也許時(shí)間根本沒(méi)有流動(dòng)——我們的過(guò)去不會(huì)消失，我們的未來(lái)也許已經(jīng)存在。

為了便于理解這個(gè)結(jié)論，我們把時(shí)間想象成一系列的快照或者時(shí)刻，所有發(fā)生的事情都可以被看來(lái)是一個(gè)快照的合集，一張一張地打開(kāi)，依次呈現(xiàn)。然后我們?cè)賮?lái)考慮一些看起來(lái)簡(jiǎn)單的定義，比如“現(xiàn)在”，它將帶有主觀性。對(duì)于正在讀這篇文章的讀者你來(lái)說(shuō)，也許你辦公室墻上的掛鐘正在嘀嗒地走著，對(duì)面一家民宅中一只花貓正在跳下窗臺(tái)，遠(yuǎn)處一只白鴿正在天空飛過(guò)，再遠(yuǎn)一點(diǎn)一個(gè)流星剛剛撞上了月球，宇宙中的某個(gè)角落一個(gè)恒星正發(fā)生了爆炸，這些事情以及其他此時(shí)此刻正在發(fā)生的、但在我們宇宙的不同地方發(fā)生的事情，共同組成了你所直觀認(rèn)為的“現(xiàn)在”。你可以把它們描述為時(shí)空中的一個(gè)切片，我們姑且稱它為“現(xiàn)在切片”。我、你以及其他所有人現(xiàn)在發(fā)生的、或存在的，都與“現(xiàn)在切片”上的記載相符，時(shí)間就這樣一個(gè)瞬間接著一個(gè)瞬間地過(guò)去。這就是說(shuō)，對(duì)于一個(gè)特定的“現(xiàn)在切片”，我們都清楚什么正在進(jìn)行。

跨越時(shí)空對(duì)話的兩位科學(xué)巨匠——牛頓（左）與愛(ài)因斯坦（右）

時(shí)間上的“現(xiàn)在切片”

移動(dòng)造成了“現(xiàn)在切片”的不同，只要距離足夠遠(yuǎn)，即使是低速移動(dòng)的外星人也將可以“看到”我們的過(guò)去和未來(lái)

但愛(ài)因斯坦表示，奇怪的是，當(dāng)你把動(dòng)作考慮進(jìn)去的話，這個(gè)對(duì)于時(shí)間的常識(shí)性的認(rèn)識(shí)就不再適用了。為了便于理解，可以把時(shí)空想象成一塊面包，既然有不同的方式去把一塊面包分成幾片，同樣也應(yīng)該有不同的方式分割時(shí)空，來(lái)把它分成一個(gè)個(gè)“現(xiàn)在切片”。按照愛(ài)因斯坦的觀點(diǎn)，動(dòng)作影響時(shí)間的流動(dòng)，關(guān)于現(xiàn)在正發(fā)生什么，移動(dòng)的人將有不同的認(rèn)識(shí)。換句話說(shuō)，移動(dòng)中的人將通過(guò)不同的角度，在時(shí)空上切出了不同的“現(xiàn)在切片”。為了感受一下這異乎尋常的現(xiàn)象,我們可以假設(shè)這樣一個(gè)例子:有一個(gè)外星人,它住在一個(gè)距離地球100億光年的星系上,還有一個(gè)人在地球上，正坐在加油站旁邊?，F(xiàn)在，如果他們都坐著，相互之間沒(méi)有移動(dòng)，他們的鐘以相同的頻率報(bào)時(shí)，因此他們有著一樣的“現(xiàn)在切片”，打個(gè)比方也就是一片直著切的面包薄片。但如果外星人騎上它的自行車，并且向遠(yuǎn)離地球的方向騎，那么會(huì)發(fā)生什么變化呢？注意，由于動(dòng)作減慢了時(shí)間的流動(dòng)，他們的鐘再也不將以相同的頻率報(bào)時(shí)，而如果他們的鐘不再保持一致，他們所在的“現(xiàn)在切片”，也不再一樣了。盡管外星人的“現(xiàn)在切片”的角度可能朝著過(guò)去偏了一點(diǎn)點(diǎn)，但跨越100億光年，這個(gè)小角度可以造成時(shí)間上巨大的影響。所以外星人能在他傾斜的“現(xiàn)在切片”上發(fā)現(xiàn)，他所認(rèn)為的正在地球上發(fā)生的事情，已經(jīng)不再包括我們?cè)诩佑驼镜呐笥蚜?，可能已?jīng)是幾十年前當(dāng)我們的朋友還是一個(gè)寶寶時(shí)的地球，或者甚至更遠(yuǎn)，那時(shí)秦始皇還在修長(zhǎng)城。也就是說(shuō)，外星人的“現(xiàn)在切片”回到了過(guò)去。同理，如果這位外星人調(diào)轉(zhuǎn)車頭，駛向地球，他所在的“現(xiàn)在切片”將以新的角度朝向地球的未來(lái)，可能外星人看到我們地球上的那位朋友的孫女都成為奶奶了。

上面的例子告訴我們，過(guò)去、現(xiàn)在、未來(lái)都同樣是真實(shí)的，它們?nèi)即嬖凇＞拖裎覀兯伎妓械目臻g“就在那兒”一樣，我們也應(yīng)該考慮所有的時(shí)間也是“就在那兒”。

用電腦虛擬的宇宙飛船繞黑洞想象圖

蟲(chóng)洞的原理圖，可以看到，蟲(chóng)洞是連接過(guò)去與未來(lái)時(shí)空的“橋梁”

“穿越時(shí)空”的那點(diǎn)事兒

我們所感覺(jué)到的時(shí)間流動(dòng)，也許就只是一個(gè)幻覺(jué)。但是，如果時(shí)間像一條冰封的河流永不流動(dòng)，并且所有的時(shí)間“就在那兒”，那么旅行到未來(lái)或者過(guò)去會(huì)成為可能嗎?

盡管到現(xiàn)在，除了好萊塢之外沒(méi)有人能“制造”出時(shí)間機(jī)器，但理論上時(shí)間旅行還是可能實(shí)現(xiàn)的。穿越時(shí)間的一種方法是充分地利用引力的奇特性質(zhì)。這種讓我們腳貼地的熟悉力量，能對(duì)時(shí)間產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。那么怎樣利用引力來(lái)造個(gè)時(shí)間機(jī)器呢?愛(ài)因斯坦的理論說(shuō)明，引力就像運(yùn)動(dòng)能影響時(shí)間，就好像引力能拖住時(shí)間，減慢時(shí)間的流逝，而且引力越強(qiáng)時(shí)間流逝的越慢。在地球上，這個(gè)影響不易引起人們的注意，但它卻是真實(shí)存在的。和住在摩天大樓頂部的人相比，住在大樓底部的人會(huì)覺(jué)得時(shí)間的流逝較慢一些，這是因?yàn)榭拷孛娴囊?huì)比樓頂?shù)囊ι詮?qiáng)。但是如果你能到達(dá)黑洞，引力對(duì)時(shí)間的影響將變得很大。黑洞具有巨大的引力，其引力強(qiáng)過(guò)地球的百萬(wàn)甚至十億倍。如果有人看到你接近一個(gè)黑洞，他們可以看到時(shí)間顯著地減慢。當(dāng)接近黑洞時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)你與朋友相隔變遠(yuǎn)，移動(dòng)、講話變慢，生物學(xué)上的變老也會(huì)減慢。對(duì)他們來(lái)說(shuō)幾年過(guò)去了，但對(duì)你可能只是幾分鐘。所以，如果能夠乘飛船繞黑洞附近飛上幾個(gè)小時(shí)再回來(lái)，可能你就到達(dá)未來(lái)了。

如果說(shuō)理論上，人們可以穿梭時(shí)空到未來(lái)，那么如何穿越到過(guò)去呢?利用愛(ài)因斯坦方程所預(yù)測(cè)的一些東西，也就是蟲(chóng)洞，穿越到過(guò)去也是可能的。如果蟲(chóng)洞存在，它們就像一種時(shí)空的捷徑，不僅僅是一種連接兩個(gè)地方的隧道，也是連接兩個(gè)時(shí)間的隧道。一個(gè)蟲(chóng)洞可以連接一部分時(shí)空到另一部分，即更早的時(shí)空，就像一種穿越時(shí)間的地鐵系統(tǒng)。

不過(guò)，自從上個(gè)世紀(jì)30年代由愛(ài)因斯坦及納森·羅森在研究引力場(chǎng)方程時(shí)假設(shè)提出，一直到現(xiàn)在,蟲(chóng)洞的存在性始終沒(méi)有獲得證明。而且關(guān)于穿越時(shí)空，這里也有一個(gè)邏輯上問(wèn)題。如果假設(shè)真的在未來(lái)可以實(shí)現(xiàn)穿越時(shí)空，那為什么我們沒(méi)有被來(lái)自未來(lái)的人蹂躪?為什么我們從未看到過(guò)任何勇敢的時(shí)空旅行者，穿越到我們的世界？因此，從邏輯上看，許多人猜測(cè)穿越到過(guò)去是不可能的。不過(guò)，至少在數(shù)學(xué)上尚未排除這種可能。