同时性问题,我们知道了相对论中一个关于时间膨胀的佯谬问题,就是著名的双生子佯谬。
它看似很巧妙地指出了∶狭义相对论是自相矛盾的,但其实是因为提出这类质疑的人,并没有真正理解狭义相对论到底在说什么。
这一集,我们来讲时间相对性中的另外一个话题,就是同时性问题,探讨两件事情是不是同时发生的。
同时性问题和时间膨胀的区别:
时间膨胀讨论的对象是时间段,5分钟、9 个小时,这种完整的一段、一段时间,只有时间段才能膨胀。
而我们平时说"同时"这个词的时候,其实是在说时间点,两点整,5点半,这种某一个时刻发生了什么。时间点当然是不能膨胀的。
我们要研究的问题就是∶在相对论中,人们对两件事是不是同时发生这一点,能不能够看法一致?
答案是不能,因为是相对论。
那同时性问题有什么意义呢?
它的价值将在第三个部分,讲时间旅行的时候体现出来。弄清楚了这个,我们就可以利用同时性的相对性帮助我们实现时间穿越。
在爱因斯坦发表相对论以前呢,时间在人们心中还是个绝对的概念,"同时"这个词很好理解。
举一个例子,比如课堂上老师提了个问题,包括你在内,有好几个同学都知道答案。那么在老师刚问完问题的瞬间,你们几个都不约而同地马上举手。
大家反应都十分得迅速,连老师也分辨不出来谁先举的手,谁后举的手,这个就可以叫做同时举手。
既然老师都分不出谁先谁后,坐在下面的同学肯定也分辨不出来。所以在日常生活中,同时发生的事在任何人看来都是同时的。
即使这个时候校长在教室后面监视课堂,他也会认为这些同学是同时举手的,这就是时间的绝对性所带来的方便,人们对于"是否同时"这件事是能够达成共识的。
但是,到了相对论中,这个情况变了。刚才在描述同学举手的时候我用了一个词,叫做"不约而同",你们事先没商量好,纯粹是因为知道答案才举手的。
但假如现在你的同桌不知道问题的答案,发现老师问完问题,周围的很多同学都举手了。而他比较爱面子,觉得这么多同学都会自己不会,脸面上挂不住,于是这个时候他也举手。
但哪怕他的动作再快,其他人一举手他立马跟上,动作快到连老师也没看出来他到底是不是后举的手。
在相对论中,我们也说∶你同桌举手的这个动作跟其他同学举手,不是同时发生的,因为他是在受了其他人的影响之后才举的手。
所以在相对论中对"同时"的要求是十分严格的,这两个事件必须在时间上一丝一毫都不能差,才能叫同时发生。
从这个上课举手的例子我们还可以看出,如果两个事件是互相影响的,换句话说它们之间存在因果关系,这两个事件就不可能同时发生,一定是一先一后。因为因一定在果之前发生。
一说到因果,就必须要讲讲宇宙的基本逻辑,这个地方是重点中的重点。
我们这个宇宙遵循一个什么基本原则?
就是必须先有因后有果。也就是说如果你是看了其他同学举手你才举手,那你举手的动作一定发生在其他同学举手之后。
地球人习惯了几千年的牛顿理论在因果问题上非常不靠谱,它居然会允许因果颠倒,在某些人看来结果会发生在起因之兰前。反而是看上去不合常理的相对论,坚决不允许因果颠倒的事情发生,它很好地捍卫了宇宙的基本逻辑。
同时发生的两个事件不能有因果关系,他们必须是相互独立发生的。
最后我们回到同时性的相对性问题。在狭义相对论中,不同的人对两件事是否同时发生同样会产生分歧。
还是用双生子佯谬的那个例子,双胞胎妹妹呆在地球上,姐姐乘坐宇宙飞船刚刚离开地球,姐姐用的时间短,这个跟时间膨胀的条件是一样的。
现在有两个相互独立事件,一件事发生在地球上,比如中国足球夺得世界杯冠军;

另一件事发生在火星上,火星上有个太阳系中最大的火山叫奥林匹斯火山,这个火山某天突然爆发了。妹妹恰巧是个天文爱好者,没事喜欢用望远镜看看火星,刚好看到了火山爆发。
现在,假设在地球上的妹妹看来,中国队夺冠和火山爆发这两件事是同时发生的。这里要说明一下,在妹妹看来同时发生和被妹妹同时看到不是一回事。
原因很简单,之前已经讲过了,火山爆发的光射到地球上需要一段时间,比如10分钟。妹妹看到火山爆发后呢,可以推测出火山是在10分钟以前爆发的。
假如10分钟以前中国队刚好夺冠,也就是说假设两件事是同时发生的,妹妹就可以断定这两件事是同时发生的。
现在再来看姐姐,姐姐这个时候乘坐宇宙飞船刚刚离开地球。如果她是朝火星的方于向飞去,也就是她主动去迎火星射过来的光。她会觉得火山爆发这件事发生在中国队夺冠之前;
而如果她朝相反的方向飞去,也就是远离地球和火星的方向,她会觉得火山爆发发生在夺冠之后。
这就是相对论中时间相对性的特征,同时性的相对性。
姐姐和妹妹对于这两件事是不是同时发生的,看法不一样。并且你同样没有一个客观的标准你去判断她们俩的看法谁对谁错。在这件事情上,她们俩的看法都是正确的。
两个相互独立事件,在路人甲看来是同时发生的,在路人乙看来,绝大多数情况下都不是同时发生的。
只有两种情况会让甲乙都认为这两件事同时发生∶
第一种情况,甲和乙是相对静止的,这样就不会产生任何相对论效应,他们在时间问题上看法总是一致的;
第二种情况,甲和乙之间如果是相对运动的话,要满足一个条件,就是这两件事在甲看来还必须发生在同一地点。同时同地,乙才会觉得它们也是同时发生的。
两个事件一个发生在地球,一个发生在火星,这就不是同一个地点。
那同时同地的例子比较少,你可以想象一场交通事故,比如你开车撞上了另外一辆车。那么在两辆车相撞的部位,就同时发生了两件事,一件事是你的车损坏了,另一件事是被你撞的那辆车也损坏了,这就是同时同地发生的事件。
在任何人看来,这两辆车都是同时损坏的,不存在说有的人会看到你的车先损坏,另一辆车后损坏这种情况发生。
这个结论有些复杂,但有一点非常有意思,就是时间的问题居然跟地点扯上了关系∶两个事件是否同地发生居然会影响到人们判断他们是否同时。
这就是当两年地点分得很远,观察者的相对被观察物的速度不一样时,对时间的判断当然就会不一样,以大速度运动的观察者用的时间会少。这就是本文的金句。
在相对论以前,人类一直认为时间和空间是两个相互独立的东西,彼此之间互不影响,时间就是时间,空间就是空间。牛顿经典力学中的时空观中的两者割裂的。

最后编辑:2022年09月15日 ©著作权归作者所有

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