爱因斯坦的时间

1905年，爱因斯坦发表了狭义相对论论文《论动体的电动力学》（ On the Electrodynamics of Moving Bodies ）。这篇论文引起了持续反响，成为20世纪最著名的物理学论文。这篇论文最为瞩目的特点是爱因斯坦推翻了绝对时间。按照人们通常的理解，爱因斯坦的论点从根本上偏离了古老而实用的经典力学的轨道。这篇论文也因此成为革命性思想的典范，论文中的观点被认为在本质上脱离了与世界的实际的、直观的联系。爱因斯坦从哲学和物理学的双重角度重新思考了同时性的概念，爱因斯坦的理论揭示了现代物理学与经典物理学在时空观念上存在无法调和的分歧。

在这篇论文的开篇，爱因斯坦就宣称，当时经典力学对电动力学的解释存在不对称性，但这种不对称性并不存在于自然现象中。1905年前后，几乎所有物理学家都认同这样一种观点：光波就像水波或声波一样，一定是某种物质的波。就光波或者构成光的、振荡的电场和磁场而言，所谓的某种物质就是无所不在的“以太”，即爱因斯坦在狭义相对论论文中提到的“光媒介”。

19世纪末，大多数物理学家认为以太是他们那个时代伟大的思想之一。他们期待着一旦人们能正确地理解以太，并使其直觉化和数学化，那么以太将能引导科学对热、光、磁和电现象形成统一的认识。然而，爱因斯坦正是因为以太的概念才反对不对称性的。 ^[2]

爱因斯坦写道，根据物理学家通常的解释，一块移动的磁铁接近在以太中静止的线圈时所产生的电流，与移动的线圈接近以太中静止的磁铁时所产生的电流是无法区分的。由于以太本身是无法观察到的，所以在爱因斯坦看来，在这个实验中，只能观察到一种现象：当线圈和磁铁靠近时，线圈中产生了电流，连在一起的灯被点亮了就是证据。根据当时的理论，电动力学提供了两种不同的解释，但关键在于线圈或磁铁相对于以太是否发生运动。这两种解释的理论基础是麦克斯韦方程组。麦克斯韦方程组是描述电场和磁场行为的基本方程组，还可以预测带电粒子在电磁场中如何运动。如果线圈移动而磁铁在以太中保持静止，根据麦克斯韦方程组，线圈中的电流在穿过磁场时受力，这股力驱动电流点亮了电灯。反之，如果磁铁移动而线圈保持静止，那么解释就会不同。当磁铁接近线圈时，线圈附近的磁场变强。根据麦克斯韦方程组，不断变化的磁场产生了电场，静止线圈有电流通过，点亮了灯。由此看来，到底属于哪一种解释，具体取决于人们是从磁铁的角度还是从线圈的角度来看待这一场景。

爱因斯坦重新审视了这一实验，他发现实验中只有一种现象：线圈和磁铁相互接近，点亮电灯。在他看来，能观察到的现象必然需要解释。爱因斯坦的目标是提出一个独特的解释，这种解释根本不涉及以太，而是描述了两个参照系，其中一个参照系与线圈一起移动，另外一个参照系与磁铁一起移动，即从两种不同的角度观察同一现象。爱因斯坦认为，这种解释关系到物理学的根本原则：相对性原理。

大约300年前，伽利略也曾对参照系提出过类似的质疑。假设有一名观察者身处封闭的船舱里，平稳地在海上航行，伽利略推断，在甲板下的实验室里进行任何机械实验都无法判断船是否在运动：当船匀速行驶时，鱼会在碗里游动，就像碗在陆地上一样；水瓶里的水会一滴一滴地滴到下面的宽口罐里，不会偏离轨迹滴落到地上。人们根本没有办法通过任何力学知识来判断一个房间的状态是“真正”的静止还是“真正”的运动。伽利略断定，这正是他一直想要创造的自由落体定律的基本特征。

在1905年发表的论文中，爱因斯坦以相对性原理在传统力学中的应用为基础，将相对性原理上升为一种基本假设，断言研究对象的物理过程与其发生匀速运动所处的参照系无关。爱因斯坦希望相对性原理不仅包括滴落的水珠、球的弹跳和弹簧的弹跳等力学现象，还包括电、磁和光的各种效应。

爱因斯坦对相对性原理的假设，即“无法判断哪个非加速参照系处于‘真正’的静止状态”，产生了一个额外假设。事实证明，这个额外假设更加令人难以置信。爱因斯坦指出，实验表明光速始终是每秒30万千米，没有其他速度。然后，他假设光的传播速度不变，也就是说，无论光源的运动速度有多快，光经过我们身边时的速度不变，光速始终是每秒30万千米。当然，日常物体是达不到这个速度的。一列火车驶来，列车员将一个邮包扔向车站站台，显然，相对于站台而言，邮包的速度等于火车的速度加上列车员习惯性地扔出邮包所产生的速度。爱因斯坦断定光的情况是不同的。举例来说，当你举着灯笼站在与我有一定距离的地方，我会看到光以每秒30万千米的速度从我身边经过。如果你乘坐火车向我驶来，即使火车以每秒15万千米的速度（光速的一半）行驶，我仍然会看到，灯笼的光以每秒30万千米的速度从我身边经过。这就是爱因斯坦的第二个假设，光速与光源运动的速度无关。

与爱因斯坦同时代的人认为，这两个假设似乎都是合理的（至少在某种程度上是合理的）。在力学中，相对性原理不仅自伽利略以来就一直存在，而且多年来庞加莱和其他科学家也对相对性原理应用于电动力学中的问题和前景进行了分析。 ^[3] 此外，如果光只不过是精确的、无处不在的以太中激发出的一种波，那么在静止于以太的参照系中，光速与光源的运动速度无关，这一假设就是合理的。毕竟，当声源以合理的速度运动时，声速并不取决于声源的速度，因为声波开始传播后就以固定的速度在空气中移动。

然而，如何使爱因斯坦的这两个假设相协调呢？假设在静止于以太的参照系中，有一束光在闪耀，对于相对于以太运动的观察者来说，这束光的速度与正常的光速相比，不是快就是慢，具体取决于观察者是在接近光源还是远离光源。这种观察方式可以显示出一个人是否真的相对于以太运动，所以，如果观察者可以看到光速的差异，那么不就违反了相对性原理了吗？然而，实际上并没有人测量到这样的差异。即使是精确的光学实验，也无法探测到光在以太中的丝毫运动痕迹。

爱因斯坦认为，这是因为对物理学最基本的概念“考虑不全面”。他说，如果能够正确地理解这些基本概念，相对性原理和光速之间就不会存在明显的矛盾。因此，爱因斯坦建议从物理概念的最初阶段着手，思考什么是长度，什么是时间，尤其是什么是同时性。众所周知，电磁学和光学的物理现象依赖于对时间、长度和同时性的测量，爱因斯坦认为，对于这些基本量的基本测量过程，物理学家却没有给予充分的重视。如何使用尺子和时钟为世界上各种现象绘制出精确的时空坐标？当时的主流观点认为，物理学家应该首先关注将物质凝聚在一起的复杂力量。但爱因斯坦认为这种观点已经落后了；相反，研究运动学必须是第一位的，也就是研究在恒定的不受力的运动中如何使用时钟和尺子进行测量。只有弄明白这个问题，才能有效地解决电子的动力学问题，比如电子在电磁力的作用下是如何运动的。

爱因斯坦认为，物理学家只有通过对时间和空间的测量方法进行整理才能确定一致性。进行空间测量需要一个坐标系，按照爱因斯坦的观点，这个坐标系是一个由刚性杆 组成的坐标系统。例如，一个点的位置距 X 轴2英尺 ，距 Y 轴3英尺，距 Z 轴14英尺。关于坐标系的表述很容易理解，但接下来就到了令人难以理解的部分——重新解释时间。与爱因斯坦同时代的数学家和数学物理学家闵可夫斯基认为这是爱因斯坦的理论中的关键论点。 ^[4] 爱因斯坦指出：“我们必须考虑到，随着时间的流逝，我们做出的所有判断是否还是事件同时发生时所做出的判断。例如，如果我说‘那列火车7点钟到站’，我的意思是指我的手表时针指向7点和火车进站这两件事是同时发生的。” ^[5] 对于在某个时刻同地发生的两件事来说，这种同时性的定义毫无问题。如果我所在的区域附近发生了一件事，比如火车停靠在我身边，我的手表时针正好指向7点，那么这两件事显然是同时发生的。爱因斯坦强调，当我们必须将空间上分离的事件联系起来时，问题就变得复杂了。我们说两个遥远的事件同时发生，到底说的是什么意思？当一列火车在7点钟到达一座车站时，我的手表会显示几点？

对牛顿来说，时间是绝对的，而要解决时间问题，必须明白一点：时间不是且不可能只是“普通”时钟所涉及的简单问题。从爱因斯坦要求使用一种程序来赋予“同时性”一词意义的那一刻起，他就与绝对时间的学说产生了分歧。爱因斯坦用一种看似哲学的方法，即通过思想实验确定了时间定义的过程，尽管长期以来，思想实验被认为与实验室和工业领域无关。

爱因斯坦的问题是如何解决时钟的异地远程同步。“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……” ^[6] 不过，爱因斯坦又指出，由于光速是不变的，这种时间测量方法会受到位于坐标原点的中心时钟的位置的限制。假设我站在 A 点附近，远离 B 点；你正好站在 A 点和 B 点的中间位置，如下图所示：

A —我—你—— B

A 点和 B 点都向我发出了光信号，并且我在同一时刻看到了两点的光信号，在这种情况下，我是否可以推断出两点的光信号是在同一时间发出的呢？当然不能。显然， B 点发出的信号比 A 点发出的信号要经过更长的距离才能到达我的面前，但它们在同一时间到达，所以 B 点的信号一定比 A 点的信号发出得更早。

假设我非要说 A 点和 B 点一定是同时发出信号的，毕竟我是在同一时刻收到了这两个信号，那么问题来了，如果你正好站在 A 点和 B 点之间的中间位置，就会先看到 B 点的光，然后看到 A 点的光。为避免歧义，爱因斯坦不想让接收者的所在位置来决定“ A 点发出光信号”和“ B 点发出光信号”这两个事件是否具有同时性。作为定义同时性的方法，“我同时收到信号”的说法无异于一场灾难，这种说法无法提供一个连贯的、一致的解释。中心时钟同步方案如图1-1所示。

年轻的爱因斯坦在解决了这个问题后，又提出了更好的方案：让 A 点的观察者在他的时钟显示12点时，向与 A 点相距为 d 的 B 点发送光信号，光信号经 B 点反射后回到 A 点， B 点时钟的时间应调至12点加上往返时间的一半。假设往返时间为2秒，则 B 点在收到信号时应将时钟调至12点加1秒。假设光在各个方向上的传播速度相同，那么，爱因斯坦的方案相当于将 B 点的时钟调至12点加上两个时钟之间的距离除以光速，按照光速每秒30万千米计算，如果 B 点在收到光信号时距离 A 点有60万千米，则 B 点的时钟将调至12:00:02，即12点加2秒。如果 B 点距离 A 点90万千米，则在收到光信号时， B 点的时钟将调至12:00:03。以此类推， A 点、 B 点和其他参与时钟同步工作的人都能同意这种时钟同步方案。因为每个时钟的设置都考虑了光信号到达所需的时间，所以即使原点的位置移动了，结果也不会受影响。这种方法既不会使中心时钟获得优待，又可以明确定义同时性，爱因斯坦对此甚是满意。改进后的时钟同步方案如图1-2所示。

有了时钟同步协议，爱因斯坦的难题也就迎刃而解了。通过反复应用简单的同步程序和两个基本假设，爱因斯坦可以证明，在一个参照系中被认为同时发生的两个事件在另一个参照系中不能再认为是同时发生的了。想想看，要测量一个运动物体的长度，就需要同时测量物体的两个点，比如想测量一辆行驶中的公共汽车的长度，最好的方法就是同时测量汽车前后两点的位置。测量长度需要前后同时进行，因此同时性的相对性决定了长度也具有相对性：当观察者处于他自己的参照系中，测量经过他身边的运动中的1米长的米尺时，会发现它的长度小于1米。

时间和长度具有相对性本身就令人惊讶，但更令人惊讶的是，相对性还带来了很多其他后果，其中有些后果是立即显现的，有些则需要更多的时间来显现和理解。速度是指物体在单位时间内在某一方向上经过的距离，所以在爱因斯坦的理论中，必须将多个物体的运动结合起来，以便更好地理解它们在不同参照系下的速度和运动状态。根据牛顿物理学，当一个人在火车上以光速的1/2与火车同方向向前奔跑，而火车以光速的3/4疾驰行驶时，这个人相对于地面的运动速度将是光速的5/4。然而，严格按照时间和同时性的定义进行分析，爱因斯坦的结论是，无论火车或奔跑者的速度是多少，实际的合速度都不会高于光速。当然，事实还不止如此：爱因斯坦可以用相对性原理来解释以前令人困惑的光学实验，并对电子的运动做出新的预测。最后，爱因斯坦提出了光速和相对论的最初假设，并借助时钟同步方案，证明关于线圈、磁铁和电灯实验的解释并不需要两种，而是只有一种：一个参照系中的磁场是另一个参照系中的电场，区别就在于视角不同，即从不同的参照系进行观察，与以太毫无关系。不久之后，爱因斯坦利用相对性原理得出了最著名的科学方程式： E = mc ² 。最初，按照这个方程式得出的结果似乎只适用于极其敏感且难以实现的实验，但40年后这个方程式却给军事政治领域带来了翻天覆地的变化。因为爱因斯坦已经发现，质量和能量可以互换。

除了时钟同步，爱因斯坦的相对论还涉及很多物理学原理。毫不夸张地说，科学家们对电学和磁学两个领域的探索和发现是19世纪物理科学的伟大成就。剑桥大学物理学家麦克斯韦提出光只是电磁波的一种特殊形式，由此统一了电磁学和光学。实际上，发电机照亮了城市，电车改变了城市景观，电报改变了市场、新闻和战争。到19世纪末，物理学家想方设法地研究如何能够精确地测量光、探测难以捉摸的以太，同时不断深入研究电学和磁学领域，仔细分析刚刚被认可和接受的电子的行为。由于这些原因，不仅仅是爱因斯坦和庞加莱，还有很多著名的物理学家，都认为动体的电动力学问题是科学领域中难度最大的问题，但也是最基本、最尖锐的问题。 ^[7]

根据爱因斯坦自己的说法，认识到时钟同步是定义同时性的必要方法，这也是最后一个概念性的步骤，为他漫长的探索之旅画上了句号。时钟同步也贯穿了本书的始末。虽然爱因斯坦认为相对论最显著的特点就在于时间的变化，但这种看法并没有马上得到人们的认可，甚至那些自认为是爱因斯坦支持者的人也是如此。有些人在电子的漂移实验后便接受了相对论，因为电子漂移实验似乎为相对论提供了佐证；有些人等到物理学家和数学家将相对论重新整理成人们更为熟悉的术语后才开始使用相对论，因为整理后的理论不那么强调时间的相对性。通过举办很多相关会议、利用信件交流看法、发表文章以及相互讨论，直到1910年，才有越来越多的人指出，相对论最为显著的特点是修正了时间概念。在随后的几年里，哲学家和物理学家都将时钟同步誉为自身学科的胜利，并将其视为现代思想的灯塔。

包括海森堡在内的年轻的物理学家，在20世纪20年代以爱因斯坦的强硬立场为基础，提出了量子物理学的新概念，反对任何不可观测的概念，例如绝对时间。海森堡钦佩爱因斯坦的主张，尤其是同时性特指由明确的、可观察的程序进行的时钟同步这一点。海森堡等物理学家极力坚持爱因斯坦的可观察性观点：要想确定一个电子的位置，就要说明可用于观察该位置的过程；要讨论动量，就要说明动量测量的实验。最具戏剧性的是，如果从理论上来看，位置和动量的测量无法同时进行，那么，位置和动量就不可能同时存在。众所周知，爱因斯坦对这一结论嗤之以鼻，即使量子研究领域的同仁恳求爱因斯坦承认，他们只是把他对时间和同时性的敏锐观点延伸到了原子领域，可爱因斯坦依然对这个结论不屑一顾。对爱因斯坦来说，他的相对论就好像飞出瓶子的精灵，现在想收回来也为时已晚，但他担心的是，物理学的新概念会把他的可观察性观点带得太远，从而低估了理论在界定和解释可观察事物方面的塑造作用。对此，爱因斯坦诙谐地指出：“好的笑话，说一遍就足够了。” ^[8]

这个“笑话”传开了。瑞士心理学家皮亚杰将对儿童的直觉时间的研究视为心理学的重要研究领域之一。不久，爱因斯坦的时钟同步开始成为科学哲学的新时代的典范。维也纳学派 的物理学家、社会学家和哲学家相聚奥地利首都维也纳，以构建一种反形而上学的哲学，他们将同步时钟的同时性誉为恰当的、可验证的科学概念的典范。在欧洲和美国等地，其他哲学家和物理学家也都自觉加入了这一行列，他们也赞同信号交换同时性的概念，并认为有了这个基础知识，人们就可以反对空洞的形而上学的思辨哲学。 ^[9] 奎因是20世纪最有影响力的美国哲学家之一，他认为，没有任何知识是绝对不变的，甚至逻辑最终也需要改变。然而，在从科学的角度整体研究了相对论之后，奎因认为，爱因斯坦通过时钟和光信号对同时性的定义经得起时间的考验，人们“在未来修订科学概念时，应该倾向于保留这个概念”。 ^[10] 在当时那个哲学的发展以知识剧变为标志，人们对永恒、不变的真理充满了质疑的时代，这个评价无疑是最高的评价。

当然，并非人人都认可时间的相对性。有些人持嘲讽的态度，有些人则试图使物理学不受这个概念的影响。但大约到了20世纪20年代，物理学家和哲学家都承认，爱因斯坦的问题“时间是什么？”，为科学概念设定了标准，与牛顿形而上学的绝对时间相比，这个标准更加具体，也更容易理解。爱因斯坦说，他基于18世纪休谟的批判性认知理论，提出了反对绝对时间的主张，休谟有力地论证了“A导致B”的说法只不过是一个关于常规顺序的问题，即A先于B发生。对爱因斯坦来说，维也纳学派的物理学家、哲学家和心理学家马赫的工作也至关重要，因为他不赞成任何与感知脱节的概念。在马赫对抽象概念的总结中，最引人质疑的莫过于牛顿的绝对空间和绝对时间的概念。爱因斯坦还通过其他科学家的研究来更细致入微地研究时间，其中包括洛伦兹和庞加莱的研究。他们的每一条哲学推理，与我们得到的其他理论，构成了我们关于时间和时钟的一部分认知。然而，纯粹的思想史研究使爱因斯坦在抽象的云端徘徊，这位哲人科学家进行着思想实验，以此质疑牛顿关于绝对时间的主张。爱因斯坦让同时代的科学技术大咖感到诚惶诚恐，他们见多识广，却没有提出关于时间和同时性的基本问题。但是，这个脑洞大开的理论有充分的依据吗？ L1XL16qzh/yUMIQk4Bh7+4EHO2wNxrjtSZTOrDcSvU3Qeks0+11zqbfE0CMfjlwn