陈学雷
中国科学院国家天文台宇宙暗物质与暗能量研究团组研究员
每个学习相对论的人,都不免产生这样一种疑问:相对论的发明者最初是怎样打破直觉中根深蒂固的“绝对时间”观念的?爱因斯坦曾回答说,一般人小时候就搞懂了时间是怎么回事,此后就不再考虑它了,而他本人却始终搞不明白,于是持续地思索时间的本质,最终获得了更深刻的认识。这一大智若愚的回答固然非常励志,但也使这一发现更显得神秘和遥不可及。
《爱因斯坦的时钟与庞加莱的地图》一书将相对论的发现置于一个更易理解的历史背景之下。爱因斯坦确实在持续地思考时间的本质,但并非仅仅是面壁坐禅式的冥思苦想,而是在专利局中审阅了许多有关时间同步的专利申请,这为他提供了一种从实验观测角度理解时间的视角。实际上,在相对论被提出前的半个世纪里,随着火车和电报的大量使用,究竟怎样定义时间、如何同步不同地区的时间,是一个有重要的现实意义并被广泛研究和讨论的问题。我们今天习以为常的经纬度、统一时间制度和时区制度,并非唯一的选择,而是经过人们在对许多不同方案的激烈争论和许多妥协后才被采纳的,这些争论既涉及科学、技术、历史和方便实用性,又牵扯到国家影响力、政治和商业利益。相对论的另一位发明者数学家——庞加莱,以他在动力学理论中提出的“庞加莱映射”方法和发现混沌现象而著名。不过,一语双关,英文中“映射”和“地图”是同一个词(map),而作为法国经度局的局长,庞加莱也面临着如何划定经纬度和绘制地图的问题。当庞加莱在哲学上提出约定论思想的时候,经纬度和时间制度的争论及解决为他提供了鲜活的例子,并同样引导他更多地从实际操作的角度去理解时间。
基于这些历史背景,爱因斯坦和庞加莱能取得这种革命性的突破,就不那么难以理解了。本书以广阔的视角展示了这段复杂而又有趣的科技史,是一本非常值得一读的科普读物。
原则上,让一名观察者拿着时钟,站在坐标系原点,对事件进行计时,当收到该事件的光信号后,观察者对手里的时钟进行调时,以这种方法来实现时钟的远程同步……
——爱因斯坦
规则不能普遍适用,何谈严谨;很多小规则适用于特定的情形。这些规则并不是强加给我们的,我们可以根据意愿制定其他规则;如果这些规则没有使物理学、力学和天文学的规律变得更加复杂,那我们就不应该取缔这些规则。我们之所以选择这些规则,不是因为它们是真理,而是因为它们能够给我们提供最大方便。
——庞加莱
真正的时间永远不会仅仅通过时钟来揭示,牛顿对此深信不疑。即使是出自钟表大师之手的顶级时钟,也只能以更高级的方式苍白地反映绝对时间,因为绝对时间不属于人类世界,而是属于“上帝的感觉”。牛顿认为,潮汐、行星、卫星等宇宙中的万事万物都处在单一的、不断流动的时间之河里,它们在这一普遍背景下运动或变化着。在爱因斯坦的光电世界中,不存在这样一种“全球都能听到的嘀嗒声”,也就是我们所说的“时间”,除非参照关联时钟的确定性系统,否则我们没有办法以有意义的方式定义时间。当一个时钟系统相对于另一个时钟系统运动时,两个系统中的时间以不同的速率流逝:在相对静止的时钟系统中的观察者看来同时发生的两件事,在相对运动的时钟系统中的观察者看来却并非如此。这时,times(许多个时间)取代了time(单一的时间)。这一结论冲击了牛顿物理学的坚实基础,爱因斯坦也清楚地认识到了这一点。因此,他在自己晚年所撰写的《爱因斯坦自述》( Autobiographical Notes )中,诚挚地向牛顿致歉,对自己的相对论打破了时空的绝对性进行了反思。他写道:“牛顿啊,请原谅我吧!在您的时代,您找到了唯一的道路,一条只有思想境界崇高、富有创造力的人才有可能找到的道路。” [1]
在这一场时间观念的剧变中,存在着一个非同寻常但又很容易表述的观点。自此以后,这个观点一直在物理学、哲学和技术领域处于核心地位。这个观点认为,要谈论时间,谈论远程同时性(simultaneity),则必须进行时钟同步,而要想使两个时钟同步,只能先启动其中一个,向另一个时钟发出信号,根据信号到达的时间进行调时。还有什么比这更简单的呢?有了这种程序上的时间定义,相对论的最后一个难题就迎刃而解了,从而永远地改变了物理学。
本书讲述的就是这种时钟同步程序。虽然看起来很简单,但我们的主题,即时钟同步,既非常抽象,又非常具体。当时的世界正处在世纪之交,时间的同时性和物质性是理论物理学关注的焦点,这与我们当前的世界大不相同。在那个世界里,理论物理学的最高目标被迫切追求现代化的野心所驱动,要在全球铺设传输时间信号的电缆,进而设计火车线路和绘制世界地图。在那个世界里,工程师、哲学家和物理学家相互碰撞;纽约市市长谈论着时间传统,巴西的皇帝在大洋彼岸等待着按欧洲时间发出的电报的到来;两位顶尖科学家——亨利·庞加莱和阿尔伯特·爱因斯坦,将同时性推向了物理学、哲学和技术领域的十字路口。