第18章 时间和光速

在讨论时间和光速的关系之前，我们先来看看著名的“双生子佯谬”：一对双胞胎兄弟，弟弟留在地球上，哥哥以亚光速乘坐飞船离开地球，若干年后哥哥再次返回地球，会发现弟弟早已白发苍苍而自己仍旧很年轻，因为哥哥乘坐亚光速飞船，他的时间变慢了！

不过，如果哥哥永远不返回地球，他就不会直观地感受到时间膨胀效应，“时间膨胀”对于哥哥弟弟来说就毫无意义了。如果哥哥和弟弟都能看到对方，哥哥会发现弟弟的时间变慢了，弟弟也会发现哥哥的时间变慢了！

那么到底谁的时间变慢了？

哥哥和弟弟都没错，因为他们站在两个完全不同的参照系得出的结论，两者的比较就失去了意义。而只有哥哥和弟弟重新来到同一参照系下（比如哥哥返回到地球），时间流逝的速度快慢才有意义。结果还是哥哥的时间变慢了，因为哥哥经历了加速和减速过程，而弟弟没有（这里就不详述了，从狭义相对论分析有点复杂，广义相对论就很容易理解）。

到了这里，你或许应该明白了，原来时间和速度两个看起来毫不相干的东西，竟然有如此密切的联系，我们可以简单这样说：时间，因光速而存在！

如何理解这句话？

宇宙万物都在不停地运动中，而运动其实就是位置的变化，也就是速度，而这只是宏观的表现。从微观层面来讲，万物都是由微观粒子构成的，位置的变化其实也是微观粒子状态的改变，而时间恰恰就是用来描述状态变化快慢的物理量。

还有很重要的一点：何为快慢？在我们日常生活中，快和慢（速度）必须有一个参照系，否则就无法衡量速度的快慢。但只有一个例外，那就是光速。

光速不需要任何参照系，或者说光速在任何参照系下都是光速。光速就像一把宇宙标尺，可以用来衡量其他速度的快慢。光速就是大自然的内在固有秉性。在真空中的光速，只与真空的磁导率和介电常数有关，其他任何东西都不会影响光速。

时间膨胀效应（钟慢效应）

在上一集里，我们谈到了著名的“双生子佯谬”，进而得出时间因光速而存在。那么时间和光速的关系是怎样的呢？这里就需要理解一个概念:“时间膨胀效应”。

时间膨胀效应（钟慢效应）其实暗示了一个非常惊人的事实：宇宙中的万事万物在时空中的运动速度其实都是光速！

爱因斯坦的狭义相对论表明物体的速度不可能超越光速，这不明显违反相对论了吗？

确实很违反我们的直觉，但关键点就在于“时空”两字。我们平时所说的速度都是空间里的概念，说白了都是空间里的位移（距离）除以时间，得到的结果就是速度，这种速度当然不可能超越光速。

但是在时空里（四维时空）一切都大不一样，时空和空间虽然只有一字之差，但结果有本质的区别。

时空，包括三维空间坐标和时间坐标，在狭义相对论中，空间和时间坐标是平等的。

举个最简单的例子，每当夜深人静，你躺在床上熟睡中，一动不动，在三维空间里，你肯定是静止的，你的速度为零（相对地球）。但在四维时空里则完全不同，虽然你空间的坐标没有动，但你的时间坐标一直在流动，一直在向前飞逝，你的时间维度的速度就是光速。

在四维时空里，我们讲的是事件，从一个事件到另一个事件，你的位移是四维位移，而不是三维空间位移。

明白这点，相信你肯定会有点感觉了。即使你呆在一个地方一动不动，但你在时间维度上仍旧有速度，这个速度就是光速。

而一旦你在空间上有速度（比如你不再一动不动，而是跑起来），这个空间上的速度会带来什么结果呢？

相信有人肯定想到了，对了，空间上的速度会带来“时间膨胀效应”（钟慢效应）！

言外之意，如果你在空间上有速度之后，你的时间就开始变慢了，你的空间速度越快，时间就变得越慢。通俗地讲，当你在空间维度上有速度时，时间维度的速度就会变慢！

如果你空间上的速度达到光速，时间维度的速度就会变为零，也就是我们通常所说的“时间静止”了！

再往深了挖掘，其实就相当于把光速C分解为时间和空间两个速度，无论时间和空间的速度如何改变，它们的“总和”（也就是光速）不会改变。

这也说明了一点：静止的你时间流逝速度会更快，也就是说会老得更快，运动起来会让时间流逝速度变慢！

我们每个人都拥有自己的时间（本证时间），我们只需要对自己的本证时间负责，别人的时间流逝速度快慢与我们没关系，因为严格来讲每个人都处于不同的参照系中，只有两个人回到同一参照系，他们才拥有相同的本证时间。

 爱因斯坦的时空观

爱因斯坦是怎么解释时间是什么的呢？

他将之前亚里斯多德和牛顿两位智者的时间理念进行了整合。科学界普遍认为，整合亚里斯多德与牛顿的时间观念是爱因斯坦最有价值的成就，是他思想中最璀璨的珍宝！

爱因斯坦认为超越有形物质的时间和空间的确存在，时间和空间是真实的现象，但不是绝对的，它们并不独立于发生的事件。他认为时空间是引力场，时间不是绝对的，时间是与空间几何交织在一起的复杂几何的一部分。爱因斯坦更加震撼世界的发现是：时空不是平直的，而是可以弯曲。比如在高处、在高速度下，时间都会变慢。他承认牛顿的绝对时间确实存在，但指出牛顿错认为绝对时间与其他事物无关，均匀流逝，并独立于其他事物。

通过整合，爱因斯坦发现亚里斯多德和牛顿都是对的，并认为时间必须与某种事物相联系而存在，引力场就是这个事物。有科学家认为，人类在20世纪最伟大的发现是：没有不受观察者影响的绝对时间和空间！比如，以接近光速飞行的宇航员，他的时间流逝得非常慢，在黑洞附近，时间也过得异常缓慢，奇点处时间停止。而光子没有时间可言。

爱因斯坦的时空观可以简单的描述为下面几点:

1、时间、空间有着密切的联系，时间、空间与物质的运动是不可分割的。

2、不同惯性系各有自己的时间坐标，并互相发现对方的钟走慢了。

3、不同惯性系各有自己的空间坐标，并相互发现对方的“尺”缩短了。

4、作相对运动的两个惯性坐标系中测得的物体运动的速度，不仅在相对运动的方向上的分量不同，而且在垂直于相对运动方向上的分量也不同。

5、光在任何惯性坐标系中传播的速度都等于C，并且是任何物体运动速度的最高极限。

6、在一个惯性系中同时发生的两事件，在另一惯性系中可能是不同时的。