【专题】相对论百年（3）：时间相对性的真正内涵
爱因斯坦是众所周知的公众人物，对于他的相貌，大家都非常熟悉，这张吐舌头的照片是他72岁生日时照的，人家要他微笑，他却伸出了舌头。
然而他集思广益做出非凡成就的时候，是这位拥有年轻相貌的爱因斯坦。1905年，他26岁，完美解释了光电效应，提出了狭义相对论。十年后，1915年他36岁，又提出了广义相对论，成功解释了水星近日点的进动问题。而今，一百多年过去了，爱因斯坦的很多预言都被验证为事实。这些与常识相悖的观点深深影响着我们的科技和生活。曾经被认定没有几人能读懂的爱因斯坦，而今已不再神秘。可是，即便如此，我们依然有很多人并没有真正读懂他，比如——关于时间的相对性。
（一）什么是时间
什么是时间？每当我们开始对时间认真思考，他的意义就模糊起来。
如果你不问我什么是时间，我对它倒还能够意会；你一问我，我就不知道该怎么言传了。
—圣奥古斯丁，公元400年
因为时间就在我们的生活里。由于身处时间之中使我们看不清它的本来面目。“不识庐山真面目，只缘身在此山中”。不过，有一篇散文很好的描绘了时间的性质，它就是中学时我们学过的——《匆匆》。
洗手的时候，日子从水盆里过去；吃饭的时候，日子从饭碗里过去；默默时，便从凝然的双眼前过去。我觉察他去的匆匆了，伸出手遮挽时，他又从遮挽着的手边过去，天黑时，我躺在床上，他便伶伶俐俐地从我身上跨过，从我脚边飞去了。等我睁开眼和太阳再见，这算又溜走了一日。我掩着面叹息。但是新来的日子的影儿又开始在叹息里闪过了。
——朱自清《匆匆》
对，这就是时间！无论你看不看它，它都在那均匀的流逝着，“逝者如斯夫，不舍昼夜”，这就是时间的特性。也就是说，无论你以什么速度运动，同一个事件经历的时间都是一样的。时间的流逝与观察者的运动速度无关，这是我们曾经非常认可，现在仍有很多人深信不疑的真理。假设有一个绝对的5分钟融化的卷筒冰激凌，那么你的冰激凌融化需要5分钟，他的冰激凌融化也需要5分钟，每个人的冰激凌都是这样的，无论你是运动还是静止着，这个冰激凌融化都需要相同的时间。
绝对的纯粹的数学的时间，就其本身和性质来说，均匀地流逝而与任何外在的情况无关。
——艾萨克·牛顿
可是，真的是这样吗？
爱因斯坦对时间的洞察是：时间是物理的，是物理世界的一部分。正像人们可以测量一块石头或一束光的性质一样，也可以测量时间的性质。那么怎么测量时间的性质呢？当然是靠钟表！时间是用钟表测量出来的东西。时间的性质可以用钟表的表现来探寻。但爱因斯坦告诉我们，这里测量时间的钟不是传统意义的钟表，这里的时钟可以指任何现象，它们经历着相同的重复，如一个来回摆动的摆，地球绕日公转等等。所以要想找到时间的特征就要考虑清楚时钟是怎么运转的。
那么我们随便选一块表来探寻可以吗，爱因斯坦说，普通的手表涉及的物理规律太复杂了，里面有齿轮的啮合转动，有弹簧的弹力释放，如果是电子表，还有电流的运动做功，这样复杂的一个系统，没办法让我们准确探寻时间的性质。为了很好的掌握时间具有什么特性，不如我们来制造一个非常简单而特别的钟表，这个钟表由两面镜子和一束光线构成，我们可以把它称为光钟。两面镜子之间距离为1秒钟光所走距离的一半，这样一束光从下面镜子发出来，到上面镜子反弹，走一个来回就如钟表滴答一下，恰好一秒钟。
显然这样的钟表在现实中是不存在的，但正是靠着脑袋里假想的这块光钟，爱因斯坦从狭义相对论的两条基本原理出发（狭义相对性原理和光速不变原理），探寻出了时间奇特的性质。他告诉我们，时间并不是绝对的，而是相对的，而且这种相对性还和我们常识的相对概念不一样。是怎样的呢，我们继续来看！
（二）运动的时钟会变慢
假设小黑乘坐宇宙飞船以很高的速度匀速经过小白身边，小白保持静止。两个人都有一个一模一样的绝对精确的光钟。当小黑经过小白的瞬间，两个光钟同时启动，接下来的事情就有意思了。由于小黑运动，小白静止，在小白看来，小黑的光束来回一次其实走的是一个折线，这个折线距离大于往返的直线距离，而光速是不变的，所以，根据t=L/c，可知小黑的光束来回一次用时大于1秒。所以，在小白看来，小黑的光钟走的慢了。可是小黑看来自己的光钟确实只走了1秒钟。
小白认为小黑的钟走得太慢！小黑的1秒不同于小白的1秒。两个观察者对同一事件测出的时间间隔不同！时间是相对于观察者的，这很简单，但是难以置信！可是，你以为这就是时间相对性的全部吗？不是！还有更让你惊讶的！
反过来看，小黑看小白的时钟会怎样呢？小黑看小白的时候，认为自己静止，小白在相对自己运动，所以小黑自然会得到与小白相同的结论，那就是小白的时钟走的慢了。
真是难以置信，小黑认为，小白的时钟也变慢了！这和日常情况下由于钟不准而引起的判断是不同的，如果你认为我的钟走得慢，那么反过来，我一定认为你的钟走得快！可是，现在看来，运动的时钟肯定变慢。在小白和小黑看来，都观察到对方的时钟走得慢！这就提出了一个问题：谁的钟真正走得慢？谁的钟真正准确？回答是：他们都对，都正确！这种情况不是由于不准确的钟引起的，它是时间本身的一种属性。
爱因斯坦的想法是：宇宙中并没有“普适的时间”,只有小黑的时间，小白的时间，和其他一切可能的被某个观察者观察到的时间。
哇塞，爱因斯坦太伟大了！真想向他膜拜！！！宇宙中没有普适的时间，他打破了我们的绝对时空观念，不同运动速度的人看待时间是不一样的！具体的公式如上所述，T0代表相对于你静止的时钟表走过的时间，那么当该钟表相对于你以速率v运动时，你再次测量T0的结果就会变为T。之所以我们没有感觉到这种差异，是因为我们的运动速度都太小了，一旦我们进入到高速运动领域，这个奇特的效应就会显现出来！
（三）超越常识的现象出现
假设小黑和小白有完全相同的10分钟融化的卷筒冰激凌。小黑以75%的光速经过小白身边。根据上表，不难得出，小白看自己的冰激凌10分钟融化了，他看小黑的冰激凌却过了15分钟才融化。
那么，如果他们养青蛙呢？假设他们的青蛙只能活10天（拥有绝对精准的寿命），还是刚才的条件，显然，小白看自己的青蛙活了10天，可是他却看到小黑的青蛙活了15天！（好神奇啊！）更神奇的是，如果反过来呢？小黑看小白也在相对于自己高速运动，所以小黑认为自己的青蛙只活了10天，而小白的青蛙却活了15天。
这才是时间相对性的本质！你有你的时间，我有我的时间，只要我们拥有相对运动速度，我们对时间的看法就不一样！你看我的钟表变慢了，我看你的钟表也变慢！原来，我们处在不同的时空中，原来，这就是“天上一天，地上一年”！
可是，我们怎么知道这个结论是对的？我们做了实验！
通过观察快速运动的亚原子粒子，我们得到了相对论正确的实证！μ 子有一个寿命，如果它相对你静止，寿命只有2.2微秒，但如果它相对你运动，例如在99%光速下，由于时间延缓，你测得它的寿命将达到7.1×2.2=15.6微秒。实验观察确实如此！
在无可厚非的事实面前，我们只能俯首称臣。不过也许你会说，发现这个有什么用呢，毕竟我们没在一个时空，这种比较没有任何意义。确实如此，所以，有人设计了一个实验，把他们揉到了一个时空中。这就是著名的双生子佯谬实验！
假设小黑和小白同时出生在地球上，比方说是一对孪生子。然后小白登上了一艘飞船，用0.999C的速率飞到一个遥远的星球（距离我们11光年），住了3年后又以同样的速率飞回到地球上。一旦他们回到一起，他们一定会对谁的年龄更大有一致的看法，因为在任何单一参考系中只有一个单一的时间。请问，这一对孪生子中，哪个年龄更大一些，还是他们的年龄将是一样大？
这段情节和上一段情节有不一样哦！因为第一，开始和末了小黑和小白都是在同一个参考系内的，第二，中间过程比较复杂，小白经历了非匀速运动！我们一定要记得，狭义相对论只适用于非加速的观察者，但是在这个故事情节中，小白必须先离开地球，进行剧烈的加速，然后转过弯回来飞回地球，再慢慢停在地球上。由于这一过程经历了剧烈的加速过程，所以狭义相对论不适用于小白的观察。但是狭义相对论适用于小黑的观察。因为他没有加速！我们已经计算出，这个理论预言小黑观察到小白老得很慢，因为他相对于自己做高速运动。如果小白以0.999c的速率运动，他将观察到，小白的每一年相当于他的22.4年，如果小黑测量出小白的旅行花了22年，那么他观察到小白的时间只流逝了1年。因此他将看到，当他们再次在地球聚首时，他是25岁，而小白只有4岁！（小白在另一个星球生活的3年，两人时间流逝速度相同）小白的观察必定与小黑是一致的，因为他们最终回到了同一个参考系中，用这种办法可以让你比你的孪生兄弟年轻21岁！
我们怎么知道时间旅行是可能的？这个结论已经在实验上得到验证，不过没有这么戏剧性。把原子钟放在喷气式飞机上绕世界环球飞行。虽然理论预言的由此产生的时间差只有1秒钟的多少多少分之一，但它是可以用高精度的钟测量出来的。测量结果和理论预言完全一致！
哇，太神奇了！不过，这种现象也只能出现在我们的脑海里，因为，我们无法把自己加速到那么快！目前我们把自己甚至连1%的光速都加速不到。。。也就是说，平时我们尽可以认为所有人的时间流逝速度都是一样的。另外需要注意的是，即便将来有一天，我们可以达到那么快的速度，时间也依然在正向流逝，也就是说，我们永远回不到过去！不要认为，相对论给我们打开了通向过去的大门。
（四）相对论的用处
既然我们平时可以忽略时间的这种差异，那，相对论岂不是没用了。其实不然，相对论用处很大。
第一，在精密测量领域，比如GPS卫星定位系统，由于卫星在距地球很远的地方运行，它身上的钟表同地球上的钟表流逝速度会产生些许差异（这种差异还包含了广义相对论的影响），很难想象两块不一致的钟表该如何对位置和速度进行相同的定位，所以，这种差异必须被纠正！其中必然用到相对论的知识。