華慶富

摘要：在低速運(yùn)動(dòng)的情形下，同時(shí)、時(shí)間均勻、長(zhǎng)度不變都是毫無疑義的概念.但是在近光速甚至超光速的環(huán)境中，同時(shí)是相對(duì)的，時(shí)間是可以變快或者變慢的，長(zhǎng)度也是隨著速度而改變的.在超光速的情形下，時(shí)間甚至能夠倒流.

關(guān)鍵詞：同時(shí)的相對(duì)性；動(dòng)鐘變慢；超光速；時(shí)間倒流

我們現(xiàn)在的航行，速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光速，而超光速航行，更是離我們遙不可及的事情，但是聰明的你我，可以展開豐富的想象，描繪一下超光速航行途中的奇遇.不過，要想描述好這些奇遇，還是要從愛因斯坦的相對(duì)論開始.

阿爾伯特·愛因斯坦（Albert.Einstein）（1879-1955），美籍德國猶太人.1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者.他創(chuàng)立了代表現(xiàn)代科學(xué)的相對(duì)論，并為核能開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)，它的深刻影響及廣泛應(yīng)用方面開創(chuàng)了現(xiàn)代科學(xué)新紀(jì)元，被公認(rèn)為自伽利略、牛頓以來最偉大的科學(xué)家、思想家.在這個(gè)改變世界的學(xué)說里，他向我們介紹了我們聞所未聞的觀念.

一、眼見不一定為實(shí)——同時(shí)的相對(duì)性

“眼見為實(shí)”這個(gè)成語我們都用了多少年了，現(xiàn)在這個(gè)成語竟然不管用了？別急，我們不妨走進(jìn)一輛高速行駛的火車來做個(gè)實(shí)驗(yàn).如圖1所示，假如一輛向右行駛的列車的一個(gè)長(zhǎng)方體車廂中，其天花板中央吊著一盞關(guān)閉的吊燈（如圖中小方框所示），吊燈正下方的車廂內(nèi)站著實(shí)驗(yàn)員A；該節(jié)車廂外在站臺(tái)上有一個(gè)實(shí)驗(yàn)員B與實(shí)驗(yàn)員A站在同一豎直線上；若實(shí)驗(yàn)員A、B同時(shí)測(cè)量吊燈打開后光線（兩條光線在同一直線上，并垂直于車廂兩側(cè)平面，平行于車廂其余四面）照射到車廂左右兩側(cè)的時(shí)間，那么兩個(gè)實(shí)驗(yàn)員測(cè)得的結(jié)果會(huì)不同：

對(duì)于實(shí)驗(yàn)員A而言，他的參考系為車廂，因此吊燈相對(duì)于車廂是靜止的，所以光線照到車廂左右兩側(cè)的時(shí)間是相等的.若設(shè)車廂長(zhǎng)為2L，光線到達(dá)車廂左右兩側(cè)的時(shí)間分別為t1、t2，光速為c，則有：t1=Lc= t2.

對(duì)于實(shí)驗(yàn)員B而言，他的參考系為站臺(tái)，因此吊燈是運(yùn)動(dòng)的，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與列車車廂相同，則此時(shí)光線照到車廂左右兩側(cè)的時(shí)間是不等的.因?yàn)橄蜃蟮墓饩€由于與車廂左側(cè)反向運(yùn)動(dòng)，向右的光線與車廂右側(cè)同向運(yùn)動(dòng).由基本的追及問題原理可知，兩個(gè)在同一直線上勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體，速度快的追及速度慢的時(shí)，相向而行比同向而行所花的時(shí)間少.若v快>v慢，s≠0，則s/（v快+v慢）< s/（v快-v慢）.回到上面的問題，因?yàn)榈鯚舻墓馑賑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于列車的車速v，而路程L≠0，所以L/（c+v）< L/（c-v）.也就是說，向左的光線到達(dá)車廂左側(cè)的時(shí)間要比向右的光線到達(dá)車廂右側(cè)所花的時(shí)間短.也可以這樣理解：對(duì)于B實(shí)驗(yàn)員而言，當(dāng)向左的光線到達(dá)車廂左側(cè)時(shí)，實(shí)際上左側(cè)已經(jīng)向右移動(dòng)了一段距離，即圖中的△L，而當(dāng)光線運(yùn)動(dòng)到車廂的右側(cè)時(shí)，右側(cè)已經(jīng)向右移動(dòng)了一段距離，也等于△L，所以在實(shí)驗(yàn)員B的眼里，當(dāng)?shù)鯚舻墓饩€到達(dá)列車的左側(cè)和右側(cè)時(shí)，向左的光線實(shí)際運(yùn)動(dòng)的距離是L-△L，向右的吊燈光線實(shí)際移動(dòng)的距離是L+△L，因此光線向左移動(dòng)到列車左側(cè)的時(shí)間為L(zhǎng)-△Lc，光線向右移動(dòng)到列車右側(cè)的時(shí)間為L(zhǎng)+△Lc，顯然，L-△Lc

由此可見，在判斷兩個(gè)事件是否同時(shí)發(fā)生時(shí)，需要考慮參考系的選擇.參考系的選擇不同，情況也不同.可以說，兩個(gè)事件是否同時(shí)發(fā)生，與參考系的選擇有關(guān).

這些你明白了吧？?jī)蓚€(gè)列車員可都是親眼看到同一個(gè)吊燈的光線的，可是到達(dá)列車兩邊的時(shí)間卻各不相同！

二、運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘會(huì)變慢

坐在家里的客廳內(nèi)，看著墻上的掛鐘，秒針走了一圈，你就知道一分鐘過去了；騎著自行車快速向?qū)W校蹬去的過程中，秒針走了一圈，你也毫不懷疑的認(rèn)為和在你家里的客廳中一樣，也過去了一分鐘.

而相對(duì)論卻告訴我們，運(yùn)動(dòng)中的時(shí)鐘會(huì)變慢的！如圖2所示，一輛列車的某節(jié)車廂中，比車廂地板高L的車頂上固定著一個(gè)反光鏡，反光鏡的正下方的車廂內(nèi)坐著實(shí)驗(yàn)員甲，假設(shè)列車是以速度v向右做勻速直線運(yùn)動(dòng)的，而對(duì)于甲而言，他是以車廂為參考系的，所以反光鏡相對(duì)于甲是靜止的，因此他手中的激光筆發(fā)出的光豎直向上照射到反光鏡，并且又被反光鏡豎直向下反射到甲所在的A點(diǎn)，因此這個(gè)過程中甲手中的表記錄下的時(shí)間t1=2L/c.

此過程中車外站著一個(gè)實(shí)驗(yàn)員乙，他正對(duì)著實(shí)驗(yàn)員甲和車廂頂部的反光鏡，他看到的甲手中的激光筆的光線是沿著以L為直角邊的直角三角形的斜邊到達(dá)車廂頂部的反光鏡，被反光鏡反射后的光線又沿著以L為直角邊的直角三角形的斜邊到達(dá)隨著列車一起移動(dòng)到B點(diǎn)的原A點(diǎn)，即此過程中乙看到的光線的路徑是兩個(gè)斜邊長(zhǎng)度，因?yàn)橹苯侨切蔚男边叴笥谥苯沁?，所以這個(gè)過程中乙手中的表記錄下的時(shí)間t2=2L′/c.顯然，這里的t1

這時(shí)你是不是又有了疑問，那么運(yùn)動(dòng)中的那個(gè)人的壽命豈不是比站在地面上的那個(gè)人要長(zhǎng)？但是對(duì)于每一個(gè)人自己而言，他們并不覺得自己度過的時(shí)間有什么異常，他們都覺得自己度過的時(shí)間既沒有變長(zhǎng)，也沒有變短.

因?yàn)橛钪嬷羞\(yùn)動(dòng)是絕對(duì)的，沒有絕對(duì)靜止的物體，而正是由于物體運(yùn)動(dòng)變化使得我們能感知到時(shí)間流逝，由于原子和分子的運(yùn)動(dòng)使得世間萬物的形態(tài)會(huì)改變，從而使時(shí)間得到體現(xiàn)的，沒有運(yùn)動(dòng)和變化，時(shí)間就得不到體現(xiàn).比如說分子，原子不運(yùn)動(dòng)，就不會(huì)有新陳代謝，因?yàn)榫腿缤瘜W(xué)里的化學(xué)反應(yīng)一樣，分子的位置不發(fā)生變化就不可能發(fā)生結(jié)合，人就不死不滅也可以說就是一個(gè)非生物而已，世間的一切都會(huì)恒定不變，沒有變化就體現(xiàn)不出時(shí)間的存在，因此不論人處于何種運(yùn)動(dòng)速度下，壽命都是有限的，人本身是感知不到絕對(duì)時(shí)間的，絕對(duì)時(shí)間也不存在.若在另一個(gè)星系粒子的運(yùn)動(dòng)速度為地球的一億分之一，一個(gè)地球人住在上面在地球人看來她可能會(huì)活一百億年，幾乎與日月同壽，如果把她的生活錄下來拿到地球上給我們看，他們的動(dòng)作相當(dāng)于我們自己的動(dòng)作慢放一億倍，比如說我們吃飯要一小時(shí)，而他們吃飯?jiān)谖覀兛从昧艘粌|小時(shí)，他們并沒有在這一億小時(shí)內(nèi)干更多事情.所以，時(shí)間的變化與否實(shí)際上仍然與參考系有關(guān).

三、超光速運(yùn)行的奇妙

現(xiàn)在我們一起回到超光速航行這檔子事情上來吧.我們知道，自然界中最快的速度就是真空中的光速.如果我們能以超光速去航行，會(huì)出現(xiàn)什么奇妙的現(xiàn)象呢？

愛因斯坦的相對(duì)論說，速度越快時(shí)間就過的越慢，當(dāng)速度接近光速時(shí)，時(shí)間慢的近乎處于靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)速度達(dá)到光速之后時(shí)間就可以倒流.實(shí)際上來說，我們對(duì)這個(gè)問題的研究還沒有達(dá)到能夠論證的地步，那么從理論上來說，時(shí)間真的可以倒流嗎？

超光速只是一種假設(shè)，舉個(gè)簡(jiǎn)單例子，星星大家都見過，大家也應(yīng)該知道星星是幾百億光年以外的恒星.理論上，我們看到的光，都是幾百億年以前傳過來，一直傳到現(xiàn)在才到達(dá)地球，進(jìn)入人的眼睛.也就是說，這些東西已經(jīng)不存在.如果能有一個(gè)航天器將恒星拍攝下來以超光速的速度向地球行駛，那么理論上是可以提前看到光所傳送過來的景象.如此推論下去，就是可以看到光所發(fā)生之前的景象，這就是所謂的時(shí)光倒流.

當(dāng)然，這僅僅是一種假說.而目前我們所認(rèn)識(shí)的實(shí)際情況是什么呢？簡(jiǎn)單的說，根據(jù)相對(duì)論，速度越快，時(shí)間越慢，但是時(shí)間永遠(yuǎn)也不會(huì)倒流，最多只會(huì)變的很慢很慢.還有就是目前兩大不可超越，一是絕對(duì)零度無法達(dá)到，二是光速無法超過，所以超光速是行不通的.從實(shí)際上說，人類的智慧尚不足以阻擋時(shí)間的飛進(jìn)；而根據(jù)愛因斯坦的理論，時(shí)間和空間可以在光速中發(fā)生變化，所以從理論上來說，時(shí)光倒流，回到從前絕非不可能.

好了，關(guān)于超光速航行的假設(shè)，就等著讀完這篇文章的你繼續(xù)去探究吧！

參考文獻(xiàn)：

[1]《相對(duì)論百問》，趙崢著，北京師范大學(xué)出版社，2010年7月.

[2]《相對(duì)論通俗演義》，張軒中著，廣西師范大學(xué)出版社，2014年6月.

[3]《宇宙密碼：作為自然界語言的量子物理》，[美]海因茨·R·帕格爾斯（Pagels.H.R.）著，郭竹第譯，上海辭書出版社，2011年8月.