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愛因斯坦最偉大的洞見:不變的是光速,變動的是時間──《我們都是時間旅人》

「時間是一種心理上的概念,」普林格說:「他們於人心中找到時間之前,一直尋尋覓覓著。他們以為那是第四維度,但你應該沒忘記愛因斯坦吧?」

──美國科幻小說家克里福.D.西馬克(Clifford D. Simak,1904-1988)

時鐘使得時間具體化,牛頓讓時間進入科學公式

在有時鐘之前,我們對時間的感覺像液體、像水銀,或覺得它易變無常。前牛頓學家(Pre-Newtonians)並不假定時間舉世皆然、是一種可以完全信任或不會變動的事物。時間最為人所知的特性就是相對性──這裡用的是心理學定義,因為我不想跟一九○五年出現的另一種新定義搞混。時間旅行在不同人的身上會有不同步調。

要是沒有時鐘,我們對時間的流逝應該更遲鈍吧。圖/pxhere

時鐘使得時間具體化,而牛頓讓時間……這樣說吧,他讓時間得到官方認證。他把時間變成科學中不可或缺的部分。時間「t」,一個可放入等式中的要素。牛頓認為時間屬於「上帝的感知能力」。他的觀點代代傳遞下來,彷彿刻在了石碑上:

絕對的、真實的、數學的時間,在其中、就其本身或其本身的性質,不受任何外部的干涉,均勻一致地流動……

宇宙時鐘的流動是肉眼看不見、無法阻擋、四處皆然的。絕對時間是神的時間。這是牛頓的信條。他不但沒有證據證明此事,跟其他人比起來,他的時鐘根本是胡說八道。

搞不好根本沒有所謂的穩定動態(motion),沒有能準確測出時間的方法。所有動態都能加速和減速,但絕對時間的流動不會那麼容易地因任何變動而改變。

圖/wikimedia

除去牛頓的宗教信念,驅策他的動力其實來自數學上的必要性。為了定義名詞、表達他的法則,他需要絕對空間,也需要絕對時間。「運動」(Motion)的定義是:在空間中,經過一段時間後相對位置產生的變化。加速度則是這段時間的速率變化。若有絕對、真實且數學性的時間打底,他可以創造一整個宇宙論,或者可以說是世界系統(System of the World)。這是一個抽象概念,是隨手拈來、可用於計算的架構。但對牛頓而言,同時也是解釋世界的方式。你可以信,也可以不信。

愛因斯坦的煩惱:時間與光速的矛盾

愛因斯坦就信了。某種程度而言。

他相信,一座由法則與數值組成的雄偉建築,能從光禿的石頭小教堂成長為宏偉華美的大教堂。它會有廊柱和飛拱,佐以一層層雕刻與窗花格──而且建築工事持續進行中,包含隱密的地窖、毀損的小禮拜堂。在這棟建築中,時間 t 不可或缺。無人能完全掌握整個結構,愛因斯坦算是懂得比大多數人多,但他也碰到了問題,這裡有個內部矛盾。

圖/pxhere

上一世紀物理學最大的成就是蘇格蘭科學家詹姆斯.麥斯威爾(James Maxwell)統合電流、磁力與光──這個成就肉眼可見,而且電線拉得全世界都是。電流、磁場、無線電波和光波其實同為一體。麥斯威爾的等式初次讓光速計算變得可能。但它們跟機械法則(laws of mechanics)並沒有完美契合。

打個比方:根據數學理論,光波顯然是波狀,但是是在什麼東西上的波段呢?聲音震動所產生的聲波需要空氣、水或其他物質來傳導,光波也必然包含某個看不見的介質,也就是所謂的以太──「光以太」,又或者是光物質。實驗主義者當然想找出以太,但全數鎩羽而歸。

波蘭裔美國籍物理學家亞伯特.邁克森(Albert Michelson)和美國物理學家愛德華.莫雷(Edward Morley)在一八八七年發明了一項絕頂聰明的實驗,測量與地球運行方向平行的光速,以及垂直相交時的光速,但他們找不到任何差異。那麼,我們真的需要以太嗎?又或者,我們是否可以簡單認定,移動中物體的電動力學,只是穿越過一個什麼都沒有的空間呢?

圖/wikimedia

現在我們知道,光速在空盪無物的空間裡是固定不變的:每秒 299,792,458公尺。沒有任何一架火箭的速度可以超越一閃即逝的光,甚至減少那數值一點點。愛因斯坦費盡了心力(他表示「精神非常緊繃」、「心中各種衝突拉扯著」)要找出其中意義──要摒除光以太的存在,接受光速是絕對的。

但情況實在不能再這樣下去。在瑞士伯恩,某個美好晴朗的一天(他不久後才提及此事),他和朋友義大利裔瑞士籍電機工程師米歇爾.貝索(Michele Besso)促膝長談。「第二天我又回去找他,然後跟他說──我甚至連打招呼都跳過了──『謝謝你,我已經把問題全解決了。』我的解答就是時間概念。

時間不可能是絕對的

如果光速是絕對的,那麼時間就不可能是絕對的。我們一定要拋棄對完美同步的信仰:亦即兩事件發生於同一時間的假設。不只一個觀察者分別經歷了屬於自己的當下。「時間的定義不可能是絕對的,」愛因斯坦說它雖然可以被定義,但並非絕對。「而且時間和訊號速度(signal velocity)之間有著無法切割的關係。」

圖/PublicDomainPictures@pixabay

訊號會攜帶資訊。假設有六個短跑選手在起跑線上,將進行一百公尺賽跑。他們都以雙手和單膝碰觸地面,腳踩起跑器,等待槍聲響起。在這個例子中,起跑時間點就會跟聲波以每秒幾百公尺的速度穿越空氣有關。以現代標準來看,它們太慢了。因此,奧林匹克運動賽事廢除了鳴槍,轉而使用電子鳴槍,電子訊號會以光速奔至擴音器了。如果再仔細思考一下同時性:光線傳播到跑者、裁判和旁觀者眼中的訊號速度,也必須要考慮進去。到最後,時間中不會有任一瞬間或「任一個點」是眾生平等的。

再舉一例。閃電打在鐵軌路堤兩個不同的點上(在這類故事中,火車往往比起馬匹更普及),而且兩點相隔一段距離。如果你是物理學家,有著最優秀而且最新穎的設備──可以判斷兩道閃光同步嗎?你沒有辦法。最後你會發現,坐在火車上的物理學家跟車站裡的物理學家必定意見分歧。每個觀察者都有自己的參考座標,而每一個參考座標都有自己的時間。沒有宇宙時鐘,也沒有神的時鐘,或是牛頓的時鐘。

 

 

本文摘自《我們都是時間旅人:時間機器如何推動科學進展,影響21世紀的人類生活》,時報出版,2018 年 9 月出版。


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