斯蒂芬·霍金传

时间和光不是一种东西

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光速在真空当中是一个物理常数,它的代表符号是c,相当于299792458米每秒。在爱因斯坦的广义相对论当中,光速是最快的速度,没有任何物体或者信息的速度可以超过光速。对于人来说,光是一种不可捉摸的物质,在物理学的定义当中,光是能量传播的一种方式。光源之所以能够发光,是因为当中有分子和原子的运动。简单地说,光是沿着直线进行传播的,它在传播过程当中不需要任何的介质。但是,由于受到介质的影响,光在传播当中可能会发生偏折,产生光的反射和折射现象。

关于光,我们可以用一个通俗的事例来说明。假设有一个人驾驶一辆车在高速公路上行驶,在高速路上,他驾驶车辆的时速是100千米。如果此时他看到一辆时速200千米的车辆,那他会是怎样的感觉呢?如果这样,他会发现两种不同的情况:如果时速100千米的车辆和时速200千米的车辆是同向行驶,那么他会觉得时速200千米的车辆目测的车速也就是100千米;如果他们是对向行驶,那么在车速100千米的驾驶员看来,对方的车辆行驶速度将会达到300千米。这就是目测光速的试验。从这项试验当中我们可以看出,对光速的测定是存在缺陷的,因为无论是处在运动还是静止的状态当中,光的速度都是恒定不变的。因此,后来科学家们也对此进行了修正。

而时间则是一个抽象的概念,它不会受外界的影响,是用来描述一个事件的发生过程或者一个物质运动过程的参数。宇宙大爆炸理论认为,时间的起点是宇宙爆炸的奇点;根据爱因斯坦的广义相对论,时间、空间、物质三者是不可分割的;霍金也认为,物质与时空并存,只要有物质存在,时间便会有意义。具体来说,时间是由能量的变化而产生的,能量的膨胀和扩散,就被称为“正时间”,而正时间的流逝速度和能量的膨胀扩散速度成正比;反之,能量的聚集和收缩被称为“负时间”,同样,能量的聚集收缩速度和负时间的流逝速度成正比。那么,在时间轴上就会存在方向相反的正时间和负时间。正时间和负时间这两种时间是不能单独存在的,某一刻的时间一旦停止,那么产生这一刻时间的能量也会随之消亡。物理学定理当中没有时间的概念,时间并不会参与到物理学的计算中去,不过这并不代表时间不存在——它是作为物理学当中的一个基本物理量而存在的。时间是绝对的,它与宇宙当中的任何事物都没有关联,无论人们采取什么样的方式去对比和证明,时间都会以相同的速度流逝。即使是世界上所有的钟表都消失了,时间仍然会继续存在。

对于光和时间的关系,广义相对论提出,物体总是沿着四维时空的直线行走,但是在我们看来,直线行驶的物质在三维的时空里路线却是弯曲的。例如,在天空中飞行的飞机,我们看到它在空中是直线飞行,但是它落在地上的影子却是一条弯曲的路线,这就在于我们看到它在空中飞行是三维的空间,而影子则是在二维的地面。由此可知,引力与其他种类的力是不同的,它只是由于时空的不平坦而出现的。据此,在大质量的物体附近,时间的流逝相对要慢一些。这是由于光能量和光频率(光在每秒内搏动的次数)存在着正比关系:能量越大,频率越高。当光从引力场较大的大质量物体旁经过,它的能量就会变小或消失,因而光频率下降,时间变慢。通俗来讲,光线在引力场中就会出现弯曲,引力场越大,弯曲强度越大。广义相对论提出,在强引力场当中,时钟要走得慢一些。

从概念上我们可以得知,时间和光完全是两种不一样的东西,时间也不等于光速。那么时间和光速到底是怎样的一种关系呢?在探讨这一问题之前,我们先看一下这样的一个例子:在一条足够长的笔直的公路上,假设A站在甲地,在一个特定的时刻——比如上午8:00,A以光速从甲出发向前行驶。当A开始运动的那一刻,A的所在地甲所发生的一切也恰好以光速向周围传播。10分钟之后,也就是到了8:10,A到达了乙地。到了乙地之后,A在甲地所面临的情况仿佛也跟随他一起到达了乙地,那么当他再回过头去看甲地的时候,那里还是10分钟之前的样子,对于A来说,时间已经停止了。我们可以再这样设想一下,如果当初A的前进速度不是光速,而是高于光速的2倍,那么10分钟之后A到达丙地,而相比之下,A以光的传播速度到达丙地却需要20分钟,也就是说,这时如果A再回过头看甲地,那么他看到的将会是7:50这个时刻的甲地,对于他来说,时间向后倒流了。

这种情况的出现,其实是基于爱因斯坦的狭义相对论。在狭义相对论当中,光速是恒定不变的,所以一个物体的运动速度如果接近光速,就会产生时间变慢的钟慢效应;如果等同于光速,就会产生时间静止的钟停效应;如果超过光速,则会产生时间倒流的钟倒效应。而时间又分为客观存在的绝对时间和人们通过主观感觉到的相对时间。绝对时间是一根矢量的单向轴,它只能向前,不能回转,也无法停止。而相对时间则不同,它既可以超越,也可能停止,或者可以倒流。所以,当A接近或者超过光速前进的时候,从A的主观角度来看,他会发现时间停止或者倒流了,不过这种停止或者倒流只是相对时间的变化,而绝对时间并没有发生改变。