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什么是“现在”

2022-10-17 16:38万象经验(Eugene Wang)74评

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。

本文来自微信公众号:万象经验 (ID:UR4351),作者:Eugene Wang

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