你的時(shí)間, 我的時(shí)間,好像不一樣

在日常生活中，時(shí)間觀念無疑很重要。我們跟隨奔流不息的時(shí)間起床、上學(xué)、上班、吃飯、休息，偶爾還會(huì)問一下身邊的人：“現(xiàn)在幾點(diǎn)了？”幾乎所有人都默認(rèn)這么一件事：時(shí)間對身處不同地方的每一個(gè)人來說，都在以相同的速度流逝。在北京的你看著時(shí)間過了一分鐘，在美國的一個(gè)陌生人及在國際空間站中的宇航員也同樣度過了不多不少的一分鐘。這似乎是理所當(dāng)然、完全不需要懷疑的常識(shí)。但在科學(xué)里，常識(shí)卻往往不一定符合事實(shí)。

在愛因斯坦于1905年正式提出“狹義相對論”之前，物理學(xué)家對時(shí)間和空間的理解與17世紀(jì)的牛頓并沒有本質(zhì)區(qū)別。在當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家眼里，空間和時(shí)間都是絕對的，空間是萬事萬物的舞臺(tái)，空間中每個(gè)點(diǎn)的時(shí)間都以相同的速度流逝著。但愛因斯坦的狹義相對論告訴我們，時(shí)間流逝的快慢取決于參照系的選擇，其并不是絕對的。

舉個(gè)例子，在一個(gè)靜止于地面上的人看來，旁邊呼嘯而過的汽車上的人的時(shí)間流逝得要比自己慢一些。這在物理學(xué)中被稱為“鐘慢效應(yīng)”。我們可以通過一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)來理解“鐘慢效應(yīng)”。想象一列飛奔的火車的天花板上有一面鏡子，鏡子正下方的地板上有一個(gè)手電筒。手電筒向上方的鏡子發(fā)出光，光到達(dá)鏡子后被反射，最終照回到手電筒上。對火車上的人來說，光的行動(dòng)軌跡是先從地板豎直向上到達(dá)天花板后，再豎直向下回到地板上。但對火車外靜止在地面上的人來說，光的行動(dòng)軌跡則是一個(gè)等腰三角形的左右兩條邊（這個(gè)等腰三角形的高就是火車地板到天花板的距離），光從地板出發(fā)傾斜向上到達(dá)天花板后，又傾斜向下最終到達(dá)地板。對火車外的人來說，光走過的路線要更長。因此，在光速恒定的前提下，火車外的人在這個(gè)過程中經(jīng)過了更多的時(shí)間，所以他們會(huì)覺得火車上的人的時(shí)間過得比自己要慢，因?yàn)楹笳叩氖直碓谶@個(gè)過程中走過的時(shí)間更少。

“鐘慢效應(yīng)”聽起來似乎有些違背直覺，像科幻小說里的情節(jié)，但確實(shí)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中被物理學(xué)家觀察到了。比如有一種很輕很小的基本粒子叫作μ子，它們并不穩(wěn)定，很容易發(fā)生衰變。μ子的平均壽命只有2.2微秒左右（1微秒=10-6秒），即使以宇宙中最快的真空光速（大約每秒30萬千米）奔跑，μ子在2.2微秒內(nèi)也僅能跑出600多米。可神奇的是，物理學(xué)家在地面上觀測到了來自十幾千米高的大氣層上方的μ子（它們產(chǎn)生于高能宇宙射線與大氣層上方分子之間的相互作用）。其中的原因就是，在地面的觀察者眼中，μ子的運(yùn)動(dòng)速度非常快，快到接近光速，因此這些μ子的時(shí)間變慢了，所以到了地面上，它們還沒來得及發(fā)生衰變。想象一下，如果這些μ子都帶著一個(gè)時(shí)鐘，那在地面上的我們就會(huì)看到這些時(shí)鐘走得非常慢，比地面上的時(shí)鐘要慢得多。從這些μ子在距離地面十幾千米高的大氣層上方產(chǎn)生開始，一直到這些μ子到達(dá)地面為止，μ子攜帶的時(shí)鐘還沒有來得及走過2.2微秒。

在狹義相對論中，時(shí)間和空間組成的時(shí)空雖然不是絕對的，卻是平直的，這里面缺少了我們?nèi)粘Ｉ钪袝r(shí)時(shí)刻刻都能感覺到的萬有引力。在提出狹義相對論大約10年以后，愛因斯坦又將狹義相對論推廣到了時(shí)空不再平直的情況，也就是著名的“廣義相對論”。

在廣義相對論中，萬有引力的本質(zhì)其實(shí)是時(shí)空的彎曲，而時(shí)間流動(dòng)的快慢也跟時(shí)空的彎曲程度有關(guān)。在引力場越強(qiáng)的地方，時(shí)間流逝就越慢。最極端的例子就出現(xiàn)在黑洞附近。

黑洞是宇宙中一種很特殊的天體，當(dāng)質(zhì)量很大的物質(zhì)被壓縮在足夠小的空間中時(shí)，時(shí)空就會(huì)出現(xiàn)極大程度的彎曲，進(jìn)而形成黑洞。黑洞的周圍有一個(gè)被稱為“事件視界”的邊界，一旦進(jìn)入其中，就連宇宙中速度最快的光也沒辦法擺脫黑洞強(qiáng)大的引力場重新出來。假設(shè)黑洞外面遠(yuǎn)處的一個(gè)宇航員將他的手表扔向黑洞，那他就會(huì)看到隨著手表逐漸落入黑洞（引力場越來越強(qiáng)），手表上的指針也走得越來越慢，最終，手表上的指針在黑洞的事件視界處趨于停滯。

離我們近一些的地方，也有引力差異導(dǎo)致時(shí)間流逝速度不同的例子，那就是我們熟悉的地球和月球。

作為地球的衛(wèi)星，月球的尺寸和重量都比地球小得多，月球表面的引力也只有地球表面引力的1/6左右，因此，月球表面的時(shí)鐘會(huì)比地球表面的時(shí)鐘走得快一些，每24小時(shí)大約會(huì)快上56微秒。這個(gè)微小的差異在我們看來似乎無關(guān)緊要，但對很多科學(xué)實(shí)驗(yàn)和精密儀器（比如定位系統(tǒng)）來說卻是不可忽視的，因?yàn)槲⑿〉恼`差一旦長時(shí)間積累起來，就會(huì)導(dǎo)致巨大的偏差。再加上月球本身還會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，如何給月球確定時(shí)間是一個(gè)有趣而又復(fù)雜的問題。有些科學(xué)家想在月球上放置原子鐘，也有科學(xué)家想在月球周圍建立類似于地球周圍的全球定位系統(tǒng)（GPS）。如果人類想把月球納入自己的家園，并使其與地球保持密切有效的聯(lián)系，那么這些問題都是需要解決的。

*"本文作者為新加坡國立大學(xué)物理學(xué)博