什么是“现在”

发布时间:2022-10-17 18:58

我们存在的最大谜团之一也是物理学的最大谜团之一：时间。我们体验时间的流逝，有一个特殊的时刻，我们称之为“现在”。现在你正在看这篇文章，半小时前你可能在做其他事情。无论你做什么都没有办法改变它，这就是我们对时间的看法。但物理学告诉我们的时间与我们的看法大不相同，弄清楚这一点的人正是阿尔伯特・爱因斯坦。了解爱因斯坦教给我们的关于过去、现在和未来的一切，这就是我们今天要讨论的内容。

我们认为时间是对每个人和每个物体都一样有效的东西，这使时间成为一个通用参数，这个参数标记了经过了多少时间，以及我们所说的“现在”是什么意思。闵科夫斯基是第一个注意到这可能不太正确的人，他认为如果将时间视为一个维度而不是一个参数，那么麦克斯韦的电动力学方程就更有意义了。如果你将空间的一个方向旋转到时间上，麦克斯韦方程组不会改变。

所以，闵科夫斯基说我们只是将空间和时间组合成一个四维时空，然后我们可以将空间旋转到时间，就像我们可以将两个空间方向旋转到彼此一样。这就自然地解释了为什么麦克斯韦方程组具有的对称性，它与电场和磁场没有任何关系，它来自空间和时间本身的特性。

我们可以在直角坐标系中画出时间维度：一条用于时间，另一条用于至少一维空间，这称为时空图。如果只是静止不动，那么在此类图中的运动是竖直的直线；如果以恒定的速度移动，那么在图中是一条以一定角度倾斜的直线。最大的速度是光速，按照惯例它通常以 45 度角绘制。在空间中我们可以前后、左右或上下移动。但随着时间的推移，我们只能向前，不能掉头往后走。所以时间仍然在某些方面与空间不同。

那么我们谈论的时间意味着什么？如果我们想进一步理解它，我们将进入爱因斯坦的狭义相对论。狭义相对论有两个重要的原理：光速不变原理和相对性原理，这两个假设会产生深远的影响。

光速是有限的，没有什么比光速更快。你可能正在手机屏幕前看这篇文章，那么“现在”你的手机还在吗？你的答案是肯定的，但物理学家可能会指出，实际上你并不知道，因为“现在”手机发出的光还没有到达你的眼睛。如果有人抢走了你的手机，那么手机丢失的信息需要一小段时间才能到达你的大脑，那么你怎么会知道“现在”手机在哪里呢？

虽然物理上好像是这么回事，但这不是正常人使用“现在”这个词的方式。我们总是谈论“现在”发生的事情，从不用担心光需要多久才能传播到。为什么我们不能就一些“现在”达成一致并继续下去？为此，我们必须想出一种方法来确定我们所说的“现在”是什么意思。

爱因斯坦的思想实验做到了这一点，假设在我们左边和右边各放一面镜子，之后同时向左右两面镜子各发射一个光子。因为我们有光速不变原理，所以我们知道左右两个光子必须同时返回。最后一步，在整个过程所需的时间的一半时，我们就知道光子一定是从镜子上反弹回来的。现在，我们可以说这个时刻就是所谓的“现在”了，即使光还没到达我们这里。时空图中的表现形式如下图。

假设一个朋友以恒定的速度相对你移动，在你的时空图中他沿着一条倾斜的直线移动。他也和你一样做一模一样的实验，但从你的角度来看，现在时间的一半并不是你所谓的“现在”，时空图如下图所示。显然，他所说的“现在”已经不是你所说的“现在”了，你认为他的“现在”是错误的。另一方面，从他的角度来看，他是不动的而你相对他反向移动，所以他觉得自己的“现在”概念是正确的，而你的“现在”反而不正确了。

这就是相对性原理的用武之地，所有观察者的观点同样有效，所以你俩都是对的。换句话说，“现在”的概念取决于坐标系，你的“现在”和他的“现在”不一样。如果你喜欢专业术语，这也称为同时的相对性。不同的观察者在日常生活中对“现在”概念的差别非常小，只有在相对速度接近光速时它们才会变得明显。