时间同时性，“临界乳光”时刻

爱因斯坦和庞加莱经常回顾自己以往的研究，仿佛它完全起源于物质世界之外。说到这里，我想起了爱因斯坦在一次大型集会上的演讲。那次集会于1933年10月初在伦敦皇家阿尔伯特音乐厅举行，专为援助难民和流离失所的学者举办。当时音乐厅里挤满了科学家、政治家和普通民众，敌对的示威者威胁要挑起事端，上千名学生挺身而出，担当“守卫者”。爱因斯坦警告人们，战争一触即发，仇恨和暴力笼罩着欧洲。他呼吁全世界奋起抵抗奴隶制和压迫，并恳请各国政府阻止即将来临的经济崩溃。在这次演讲之后，爱因斯坦从世俗的危机中抽身出来，他的身影突然消失在政治舞台上，仿佛时事给了他重击，让他无力承受。在另外一个领域里，他开始反思孤独、创造力和宁静，反思他沉浸在抽象思维中的时光，那段时光里他被乡村式的单调乏味所包围，却收获颇多。“即使在现代社会里，也有一些职业，要求人与世隔绝地生活，而不需要付出很多体力劳动或者脑力劳动。我所想到的就是像看守灯塔或者灯塔船这类工作。” ^[11]

爱因斯坦坚持认为，研究哲学和数学问题的年轻科学家都喜欢独处。这让我们不禁猜测，年轻时的爱因斯坦必定也是如此。他把自己曾经赖以生存的伯尔尼专利局看作遥远的海洋中的一艘灯塔船。恰如理想世界中的图景，我们奉为哲人科学家的爱因斯坦，超然于专利局办公室的杂乱和走廊里的嘈杂喧闹，只专注于重新思考学科的基本问题，一心想着如何推翻牛顿的绝对时空观。

显然，从牛顿到爱因斯坦，物理学的变革表现为机器、发明和专利领域的理论碰撞。其中，爱因斯坦在变革过程中做出了巨大的贡献，正如他在很多地方所强调的，在发现相对论的过程中，纯粹思想发挥了作用：“我这类人的本质恰恰在于想什么和怎么想，而不在于做什么或经历过什么。” ^[12]

爱因斯坦给我们的印象是：智慧超群，高深莫测，专心研究物理学。爱因斯坦称上帝创造宇宙时是自由的；他对专利申请工作不屑一顾，认为这份工作是研究自然哲学时的沉重负担。爱因斯坦一心想要塑造一个充满纯粹的思想实验的世界，这个世界里有想象的时钟和幻想的火车。罗兰·巴特（Roland Barthes）在《爱因斯坦的头脑》（ Brain of Einstein ）一书中探讨了爱因斯坦想象中的人物角色：科学家只是自身头脑的代言人，是思想本身的象征，这样的科学家既可以被称作魔术师，也可以被称作机器，一台没有身体、心理和社会存在的机器。 ^[13]

巴特应该知道，在众多将想象的世界凌驾于物质世界之上的科学家中，庞加莱就是其中之一。庞加莱是法国伟大的数学家、哲学家和物理学家，与爱因斯坦完全不同的是，他提出了包含相对论原理的、详细的数学物理方法。在多篇言辞优美的论文里，庞加莱将他的成果推向了更广泛的文化世界，与此同时，他还探究了现代物理学和经典物理学各自的局限性和成就。像爱因斯坦一样，庞加莱同样不喜欢受约束。他曾经写了很多文章来叙述自己的创造性工作，在其中最著名的一篇文章中，他讲述了自己如何创建一整套新函数的步骤，这套函数在数学的几个领域里都有至关重要的作用：

在过去的15天里，我努力证明不可能存在于我想象中的函数。当时我一无所知，每天坐在工作桌前，工作一到两小时，尝试了很多种组合，却一无所获。一天晚上，与平日的习惯不同，我喝了黑咖啡，没有睡着，头脑中思绪汹涌，我感到它们不断碰撞，直到相互契合，渐渐地形成了稳定的组合。我只需要把结果写下来即可，前后花了不过几小时的时间。 ^[14]

不仅如此，庞加莱还在一些通俗易懂的哲学文章中，通过隐喻的方式来剖析物理学和哲学，以离开现实的物质世界，将想象中的科学家置于理想化的平行宇宙中。他写道：“假设一个人来到了一个星球，那里的天空一直被厚厚的云层遮蔽，以至于他永远无法看到其他星星，就好像这个星球孤立地存在于太空之中。但他会注意到，这个星球在转动……” ^[15] 庞加莱笔下的太空旅行者通过观察赤道上空周围布满的行星，或一个自由摆动的钟摆逐渐摆动，以此来证明星球在自转。就像以前一样，庞加莱通过创造一个虚拟的世界，提出一个有关现实世界的哲学的、符合自然规律的观点。

当然，爱因斯坦和庞加莱可以被看作抽象的哲学家，因为抽象的哲学家的目标正是通过构建极具想象力的、隐喻丰富的假想世界来强调哲学概念上的区分。人们认为，在庞加莱想象出的世界中，温度剧烈变化，致使物体在上下移动时其长度也发生了巨变。庞加莱和爱因斯坦都对牛顿绝对时间的同时性进行了抨击，这种抨击可以被看作隐喻性的思考，他们在思考过程中使用了假想的火车、奇幻的时钟和抽象的电报。

让我们说回爱因斯坦的中心问题：时间是什么。爱因斯坦援引了一个看似古怪的隐喻性的思想实验，他想通过实验弄清楚“火车在7点钟到达车站”这句话究竟是什么意思。这种通常只有在孩童时期才会问的问题，爱因斯坦却在成年之后仍然心存疑问。 ^[16] 难道因为爱因斯坦是一位特立独行的天才，所以他才会有此天真的问题吗？这个时空谜题听起来如此简单，甚至被专业的科学家所忽略。但事实上，同时性问题真的不会出现在成人的思想里吗？1904—1905年，难道就没有人问过：对于一名观察者而言，另一名远处的观察者看到一列火车在7点钟到站，这对他究竟意味着什么？通过交换电信号来定义远程同时性的想法，是否属于纯粹的哲学范畴，而与当时世纪之交的世界格格不入呢？

不久前，我站在欧洲北部的一座火车站，心不在焉地盯着站台上那些精美的时钟，它们排成行，但当时我根本没有想到相对论的问题。这些时钟显示的时间相同，可以精确到分钟。我很好奇，因为这些时钟太精美了。然后，我发现，我所看到的这些时钟，秒针也是同步的。我当时想，这些时钟不仅仅是运转良好，而且经过了校准调时。爱因斯坦在1905年发表的相对论论文中写道，要想理解远程同时性的意义，也必须进行时钟同步。事实上，古老的伯尔尼火车站（见图1-3）与伯尔尼专利局的办公室仅一街相隔，在伯尔尼火车站内，沿着铁轨的外墙上挂满了同步的时钟，非常壮观。

就像我们历史上的很多技术一样，时钟同步的起源尚不清楚。一个技术系统包含很多组成部分，到底哪一个部分才算作这个系统的决定性特征：是电的使用，还是很多时钟的分支，或者是对远程时钟的连续控制？无论人们如何猜想，19世纪30年代和40年代，英国的查尔斯·惠特斯通（Charles Wheatstone）、亚历山大·贝恩（Alexander Bain）和紧随其后的瑞士的马提亚斯·希普（Matthäus Hipp）以及其他欧美国家的无数发明家，开始建造配电系统来将彼此距离遥远的时钟连接到一个中心时钟，只是中心时钟有着不同的名称：母时钟（horloge-mère）、基准钟（Primäre Normaluhr）以及主时钟（master clock）。 ^[17] 在德国，莱比锡是第一座安装配电系统来实现时钟同步的城市，随后法兰克福在1859年安装了该系统。当时担任电报机厂负责人的希普在伯尔尼联合宫呼吁瑞士也要安装该系统，到1890年，有100个时钟一起开始运行。日内瓦、巴塞尔、纳沙泰尔和苏黎世等城市的铁路部门也紧随其后，每个地方都有了自己的时钟同步系统。 ^[18] 纳沙泰尔主时钟如图1-4所示，柏林主时钟如图1-5所示。

因此，爱因斯坦不仅身处时钟同步技术的环绕之中，而且身处这一新兴技术的发明、生产和专利申请的中心。在推动时钟同步技术进步的过程中，爱因斯坦做出了巨大贡献。那么，还有其他科学家也关注电磁学基本物理规律和时间哲学的性质，并为之呕心沥血吗？当然，至少有下面所说的这位。

爱因斯坦在1905年的相对论论文中重新定义了同时性，当时他26岁。而此前庞加莱就提出了类似的惊人观点，比爱因斯坦早了大约7年。庞加莱学识渊博、温文尔雅，凭借创立拓扑学、众多的天体力学成就以及在运动物体的电动力学方面的巨大贡献，被誉为19世纪最伟大的数学家之一。他还撰写了几部关于约定论、科学和价值观的哲学著作，本本畅销，而他对“科学的科学”的辩护，也是家喻户晓。

就本书而言，我特别想说的是庞加莱在1898年1月在哲学杂志《形而上学与道德评论》（ Review of Metaphysics and Morals ）中发表的很多文章，其中最著名的一篇文章的题目是《时间的测量》（ The Measure of Time ）。文中，庞加莱抨击了当时的流行观点，这种观点对时间、同时性和持续性有直观的理解，该观点还得到了当时颇有影响力的法国哲学家亨利·柏格森（Henri Bergson）的支持。相反，庞加莱认为，同时性是一种不可简化的约定 ，是一种人与人之间的协议。它之所以成为人们使用的契约形式，不是因为它必然存在于真理之中，而是因为它给人们带来了便利。因此，人们必须对同时性进行定义，定义的方法是通过电报或电磁信号交换而进行的时钟同步。与爱因斯坦在1905年发表的看法一样，庞加莱在1898年的时候也认为，要想使同时性成为程序性概念，就必须在电报传送时间信号的过程中考虑到传输时间的问题。

在1905年写论文之前，爱因斯坦是否读过庞加莱在1898年发表的那篇论文或之后在1900年发表的一篇至关重要的后续论文呢？这也不是没有可能。虽然没有确切的证据，但无论如何，这个问题还是值得从广义和狭义的角度进行探讨。我们将会发现，爱因斯坦其实不需要读庞加莱的论文。哲学期刊和物理学出版物都会刊登关于时钟同步的文章。事实上，电气化的时钟同步在19世纪末就已经引起了公众的广泛关注，就连爱因斯坦小时候最喜欢的一本关于科学的书中也有对这个话题的深入探讨。 ^[19] 1904—1905年，地面和海底布设的时钟同步电缆都很粗，同步计时器随处可见。

评论家已经习惯于将爱因斯坦关于火车、信号和同时性的论述视为延伸的隐喻，即一种涉及文学和哲学的思想实验，同样，他们将庞加莱的观察结果看作对隐喻的一种常规解读。这种解读应该属于哲学思辨，是对爱因斯坦的狭义相对论的预言，是一种卓越的思考方式，但庞加莱缺乏勇气将这些想法发展为逻辑上的、彻底的、革命性的结论。这种做法一点都不陌生，人们已经习惯于把庞加莱对时钟同步的洞察当作完全孤立的观点，即庞加莱的哲学观点与当时的世界相脱离。尽管如此，庞加莱和爱因斯坦对时间的看法并非夸夸其谈，脱离实际。

庞加莱一直在探究：科学家判断同时性所依据的规则是什么？什么是同时性？最后，他以经度 测定为例进行说明。他首先指出，对于水手或地理学家而言，要想确定经度，就必须准确地解决庞加莱在论文中提出的同时性的核心问题，那就是，如何在巴黎之外计算出巴黎时间。

确定纬度并不难。如果北极星出现在头顶上方，则表明你身处北极；如果北极星在地平线之上一半的位置，则表明你身处波尔多的纬度；如果北极星在地平线上，你就身处厄瓜多尔的纬度，位于赤道上。纬度测量根本不受时间的限制，因为无论在哪里测量纬度，北极星的角度始终不变。众所周知，如何找到两点之间的经度差更为困难，因为这需要两名观察者，身处两地，同时进行天文测量。如果地球不自转，测量经度就很容易了。举例来说，只要两名观察者同时抬头，看看北极星的正下方有哪些星星，再按照星象图，就可以很轻松地计算出两地的相对经度。可问题是，地球确实在自转，所以要准确地确定经度差，必须确保两名观察者在同一时间测量头顶上方星星、太阳或行星的位置。例如，假设北美的一个地图绘制小组知道巴黎的时间，而且该小组在这个位置看到太阳升起的时间正好比巴黎晚6小时，由于地球自转需要24小时，该小组就可以知道自己位于巴黎以西的一条经线上，两地之间的经度差即地球总经度数的6/24，也就是360°的1/4，即90度。然而，地图绘制小组的探险家们如何知道巴黎时间呢？

庞加莱在《时间的测量》一文中提到，地图绘制员只需在探险过程中携带精确的计时装置，即天文钟，并将天文钟设置为巴黎时间，就可以知道巴黎时间。但天文钟的运输在理论和实际上都存在困难。探险家和他在巴黎的同事可以从各自所在的不同地点观察瞬间发生的天体现象，比如他们宣布同时观察到木星的后方出现了一颗卫星。这看起来并不难，但在观测木星日食现象的过程中遇到了实际问题。庞加莱指出，从理论上来说，来自木星的光经过不同的路径到达两个观察点，因此需要对时间进行修正。这就是庞加莱所采取的方法，探险家可以使用电报机与巴黎交换时间信号：

首先，显而易见的是，柏林是在巴黎发出同样的信号之后才收到（电报）信号的，二者之间形成了因果关系。但具体是信号发出多久之后呢？一般来说，忽略传输时间，两个事件可以被认为是同时发生的。然而，为了严谨起见，还是要通过复杂的计算对时间稍做修正。在实践中，观测结果在误差范围之内，所以不需要修正，但是，从我们的观点来看，时间修正的理论必要性是不言而喻的，这样我们才能确保定义的严谨性。 ^[20]

庞加莱得出结论：直接靠人类对时间的直觉无法解决同时性问题。如果相信直觉能够解决问题，那一定是幻觉。直觉必须依靠测量规则作为辅助。“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。” ^[21] 同时性、时间顺序、持续时间相等……所有这些概念的定义都是为了尽可能简单地表达自然规律。“换句话说，所有这些规则、所有这些定义都只是无意识的机会主义的成果。” ^[22] 用庞加莱的话来说，时间是一种约定，而非绝对真理。

当巴黎是中午时，地图绘制员如何确定柏林的时间呢？当火车驶入伯尔尼时，沿线各地是什么时间呢？乍一看，庞加莱和爱因斯坦提出的问题似乎过于简单。他们的答案同样简单：如果两地的同步时钟读数相同，那么两件事是同时发生的，也就是说，巴黎是中午，柏林也是中午。这种判断必然就是关于程序和规则的约定：同时性的问题就是如何进行时钟同步。庞加莱和爱因斯坦都建议，从一个时钟向另一个时钟发送电磁信号，并计算信号传递的时间（信号大约以光速传播）。这个简单的想法产生了惊人的影响，无论是相对论的新理论还是现代物理学，无论是约定论的哲学还是覆盖全球的电子导航网络，甚至是我们的安全科学知识模型，都受到了它的深刻影响。

我想弄清楚的是：在世纪之交，同时性究竟是如何产生的？庞加莱和爱因斯坦为什么会想到必须用电磁信号同步时钟的常规程序来定义同时性？这两个问题涉及的范围非常广，难以通过查阅传记资料的方式解决，但我们可以肯定的是，爱因斯坦的传记较多，而庞加莱的传记就很少。况且，关于时间的哲学思想史并不是本书的重点，如果要探寻时间的哲学思想史，我们就得从亚里士多德之前的时代开始说。本书并没有全面叙述时钟的发展或电气化时钟的复杂发展过程，也没有完整呈现19世纪电动力学中很多广为人知的概念，但是，庞加莱和爱因斯坦在努力重新表述动体的电动力学时，的确借鉴了这些概念。

相反，本书以此为切入点，深入浅出地探讨了物理学、哲学和技术领域的不同发展层面，同时探索了时钟同步在海洋中的电缆和行进中的普鲁士军队之间来回交错的问题。本书深入物理学的核心内容，借助约定论的思想，再探讨相对论（性）物理学。请抓住19世纪末电报系统中的一根电线，开始拉动吧！沿着电线，穿过北大西洋，踏上加拿大纽芬兰的卵石滩；从欧洲进入太平洋，到达越南的海防港，又沿着海底滑过西非。在陆地上，沿着电线和铁铜电缆，通向安第斯山脉，穿过塞内加尔的偏远地区，跨越整个北美洲，从马萨诸塞州到圣弗朗西斯科。电缆沿着火车轨道，延伸至海底，将探险家建在殖民地的海滨小屋与伟大的天文台的石刻相连。

然而，伴随着传送时间信号的电缆而来的，还有国家的野心、战争、工业、科学和征服，这些都是各个国家在长度、时间和电气测量等方面进行协调的明显标志。在19世纪和20世纪，时钟同步绝不仅仅是电磁信号交换的过程。庞加莱是这个全球电气化的时间网络的管理者，爱因斯坦是瑞士伯尔尼专利局的技术专家。两人因动体的电动力学联系在一起，他们都痴迷于从这些角度思考空间和时间的问题。理解这种全球范围内的同时性，在一定程度上有助于我们理解现代物理学的现代性，并明白庞加莱和爱因斯坦如何站在各自的现代化交叉点上。

当然，对比牛顿在17世纪提出的时间概念与爱因斯坦和庞加莱在20世纪初提出的时间概念，我们会感到吃惊，但也会让我们学到很多东西。这两个时间概念是现代早期和现代之间的冲突的纪念碑：一方面，空间和时间是对上帝的感觉中枢的修改；另一方面，空间和时间是通过尺子和时钟来测量和表示的。我们应该尊重历史，但更要重视眼前的现实和当下的问题。因此，我更感兴趣的是1900年的世界，那时，不仅仅是庞加莱和爱因斯坦，所有人都将时间、约定、工程和物理学视为一个整体。在那几十年里，将机器和形而上学结合起来是非常有意义的。一个世纪后，事物和思想的紧密性似乎已经消失了。

我们或许很难想象科学和技术是如何紧密地交织在一起的，其中一个原因是我们已经习惯了将历史划分为不同的范畴：思想史、社会史、传记或微观史。思想史是关于普遍性的或将成为普遍性的思想，社会史更多的是关于本地化的阶级、团体和机构的历史，传记或微观史是关于个人及其周围环境的历史。在讲述纯理论与实际应用之间的关系时，有一些故事追踪着抽象的理论，从实验室一路走到机器车间，然后进入日常生活中。有一些故事则反过来，技术的日常运作沿着抽象的阶梯慢慢地被精炼，直至摆脱物质性，最终形成理论，即从车间到实验室，再到黑板，最终抵达哲学的神秘地带。事实上，科学往往也是如此：思想从稀薄的水蒸气凝结为日常的物质；反之，思想似乎从这个坚实的、世俗的世界中又升华为空气。

然而，时钟同步的发展历程并不属于以上这两种路径。哲学和物理学的思考并没有促进火车协调安排和电报时钟同步的发展。这些技术并不是从一套抽象的想法衍生而来的。哲学家和物理学家之所以采用新的同时性约定，并不是因为19世纪末庞大的电子同步时钟网络让他们感到无奈。时钟同步的故事既不符合“升华”的隐喻，也不符合“凝结”的隐喻。我们需要另寻他法。

想象一下，某个星球的一片汪洋被水蒸气形成的大气层笼罩着。当这个星球的温度足够高时，水就会蒸发；水蒸气冷却，就会凝结成雨，落入海洋。当压力和温度达到一定程度时，随着水的膨胀，水蒸气被压缩，最终液体和气体的密度会趋于一致。当接近这个临界点时，一些特别的事情发生了。水和水蒸气不再保持稳定；相反，在这个星球上，部分液态水和水蒸气开始在这两种状态之间来回变化，从气体到液体，再从液体到气体，渐渐地，它们的体积从微小的分子团变成几乎与整个星球一样大。在这个临界点上，不同大小的水滴开始反射不同波长的光，小的水滴呈紫色，大的水滴呈红色。很快，各种可能波长的光都被水滴反射，因而呈现出了可见光谱的每种颜色，就好像从珍珠母贝里反射出来的颜色一样。这种剧烈波动的相位变化反射出来的光被称为“临界乳光”。

这个关于时钟同步的比喻才是我们所需。在非常偶然的情况下，科学技术发生了一次转变，但这种转变在技术、科学和哲学三个泾渭分明的领域里无法得到解释。在1860年之后的半个世纪里，时钟同步过程根本不是从技术领域缓慢、匀速地升华到科学和哲学的更高境界。时钟同步的想法也并非起源于纯粹的思想领域，然后凝结成工厂里机器的加工对象和生产活动。这个想法时而抽象，时而具体，在抽象和具体之间来回波动，衡量标准多变，随着临界乳光各个阶段的变化而出现。

如果深入查看欧洲或北美洲 几乎所有城镇的记录，我们就会发现，在19世纪末那些年里，人们为实现时钟同步而做出的努力。在铁路监督员、航海家和珠宝商，以及科学家、天文学家、工程师和商人的历史资料里，都有关于时钟同步的记录。时钟同步涉及各个学校，当时人们要把教室里的时钟连接到校长办公室，除此之外，各大城市、铁路和国家也都需要进行时钟同步，他们将各个时钟与公共时钟连接，并经常因时钟如何校准而争论不休。查阅政府的档案，我们发现参与时钟同步的人员越来越多，其中包括无政府主义者、民主主义者、国际主义者和将军。

虽然各种声音纷繁嘈杂，但本书旨在回答时钟同步是如何成为协调程序以及科学和技术语言的问题的。1900年前后，时钟同步并非仅仅为了确保时钟更加精准，而是一个由物理学、工程学、哲学、殖民主义和商业的相互碰撞而引发的历史故事。每时每刻，时钟同步既是实际之需，又是理想之梦，这种矛盾就像在铁铜电线上包裹绝缘的杜仲胶与宇宙时间之间的矛盾一样 。因此，人们对时钟同步的解释各种各样：在德国，它代表国家的统一；在法国，它体现了法兰西第三共和国对革命理性主义的制度化。

在本书中，我想通过这种“临界乳光”来探究时钟同步的来源，讨论庞加莱和爱因斯坦对同时性概念的修正。穿过时间的隧道，我们来到了与时钟紧密相连的两个关键地点——巴黎经度局和伯尔尼专利局，将庞加莱和爱因斯坦关于时钟和地图的抽象隐喻完全与实际地点联系起来。站在这两个地方，庞加莱和爱因斯坦见证了时钟同步的思想交流过程，同时他们也是发言者、竞争者和协调者。 6eMbXjp8qg56KBCXgCm7EUI48Rr6wGUCvsXLtc7Mo7f6XgrZIFVi4DmANTgcyhV7