时间是什么？相对论能打破时间的因果律吗？

时间是什么？相对论能打破时间的因果律吗？ 牛顿和爱因斯坦的时空观谁更正确？相对论能打破时间的因果律吗？

作者丨李春生（书房记特约专栏作者）

时间是什么？这个问题竟然没有人能够准确回答。人们只是知道，时间被分为过去、现在和未来，时间不断地成为过去，死去的人不能复活，过去的事情不会重来，这个世界上从来没有后悔药。物理上的时间是一个抽象的概念，是指物质的运动、变化的持续性、顺序性的表现。时间是人类用以描述物质运动过程或事件发生过程的一个参数，确定时间，是靠不受外界影响的物质周期变化的规律。时间概念包含时刻和时段两个概念，我们把时间细分为天、小时、分钟、秒、分秒或毫秒等等，只是给时间标记了一个记号，而不是时间真的有尺度。时间不是物质！时间没有形状！请注意，这是问题的关键。但是，现在问题变得有点复杂了。

我们先来看看传统的时空观。牛顿认为时间和空间都是绝对的，即绝对时空观。

绝对时间：真实的和数学的时间，由其特性决定，自身均匀地流逝，与一切外在事物无关，又名延续；相对的、表象的和普通的时间是可感知和外在的（不论是精确的或是不均匀的）对运动之延续的度量，它常被用于代替真实时间，如一小时、一天、一个月、一年。［牛顿《自然哲学之数学原理》第4页］

绝对空间：其自身特性与一切外在事物无关，处处均匀，永不移动。相对空间是一些可以在绝对空间中运动的结构，或是对绝对空间的度量。我们通过它与物体的相对位置感知它；它一般被当作不可移动空间，如地表以下，大气中，或天空中的空间，都是以其与地球的相互关系决定确定的。绝对空间与相对空间在形状与大小相同，但在数值上并不总是相同，例如，地球在运动，大气的空间相对地球总是不变，但在一个时刻大气通过绝对空间的一部分，而在另一时刻又通过绝对空间的另一部分，因此，在绝对意义上看，它是连续变化的。［牛顿，《自然哲学之数学原理》第4页］

牛顿的时空观是三维空间加一维绝对的时间，即著名的三一时空。时间和空间是两个独立的观念，彼此之间没有联系，分别具有绝对性。绝对时空观认为时间与空间的度量与惯性参照系的运动状态无关，同一物体在不同惯性参照系中观察到的运动学量（如坐标、速度）可通过伽利略变换而互相联系。这就是经典力学的相对性原理（伽利略的经典相对论）：一切力学规律在伽利略变换下是不变的。

但是，爱因斯坦出生了。

爱因斯坦认为，不能把时间、空间、物质三者分开来解释。三维空间加一维的时间组成四维时空，构成宇宙的基本结构。时间与空间在测量上都不是绝对的，观察者在不同的相对速度或不同时空结构的测量点，所测量到时间的流逝是不同的，这是狭义相对论的时空观。

广义相对论的时空观认为时间和空间一同弯曲，即时空弯曲。空间不断膨胀，时间也一同膨胀；时空塌缩，时间也一同塌缩，时间方向反向演化，也就是时间倒退。预测质量产生的重力场将造成扭曲的时空结构，在大质量（例如：恒星）物质附近的时钟之时间的流逝比在距离大质量较远的地方的时钟之时间流逝要慢。

这个新的时空观非常奇特，在时间的因果律面前像可怜虫一样的人类仿佛找到了救命稻草，找到了后悔药，也看到了长生不老的希望。一时间粉丝无数，信徒们誓死捍卫这个新"理论"。但是，人们忽视了一个重要的细节，那就是，狭义相对论的钟慢原理的前提是运动会使时间变慢！

运动会使时间变慢！运动会使时间变慢！

问题来了，什么是相对论？相对运动是相对谁运动？相对什么静止？怎样界定谁在绝对运动，怎样界定谁处于绝对静止呢？

很多人认为非常简单，狭义相对论是相对论就是惯性系与惯性系之间相对运动，广义相对论是参照系与参照系之间相对运动。

真的吗？

事实上，存在三个相对论。

第一个相对论：伽利略相对论

我们知道，经典力学建立伽利略变换的基础上，伽利略变换是伽利略建立的经典相对论。物质的运动以绝对空间为参照系做绝对运动，这是参照绝对空间的相对运动。请注意！物体是否存在运动是以空间为参照物的。例如：船以水为参照系运动，船舱里的蝶蝶以船舱里的空气为参照系运动，船舱中的鱼以鱼缸里的水为参照系来确定是否运动和确认运动速度。同理，飞机以空气为参照系运动，飞机舱里的蚊子以机舱内的空气为参照系运动。伽利略变换可以自洽地解释客观现象。牛顿力学以伽利略变换为基础。

爱因斯坦的相对论

爱因斯坦认为认为以太是多余的，空间为空无一物的真空。物体不以空间为参照系，而是物体与物体互为参照相对运动。

第二个相对论：狭义相对论

爱因斯坦认为，如果k＇（车厢）是相对于k（路基）作匀速运动而无转动的坐标系，那么，自然现象相对于坐标系k＇的实际演变将以相对与坐标系k的实际演变一样依据同样的普遍定律。这个陈述称为相对性原理（狭义）。［爱因斯坦，《狭义与广义相对论浅析》，第12页］两个惯性系互为参照来确认是否存在运动，两个惯性系必须永远保持直线，匀速的相对运动。空间（时空）平直，不能有引力（引力会使时空弯曲，惯性系无法保持匀速直线运动）。

第三个相对论：广义相对论

广义相对性原理是所有参考物体k、k＇等不论它们的运动状态如何，对于描述自然现象（表述普遍的自然界定律）都是等效的……如果车厢的运动变为非匀速运动，例如加速或是猛然煞车。［爱因斯坦，《狭义与广义相对论浅析》，第47~49页］广义相对论的是两个参照系互为参照来确认是否运动。参照系可以有任意速度和任意方向。空间弯曲可变形。请注意两个相对论的差别。

按照狭义广义相对性运动原理（就是相对论）：从我们由狭义相对性原理所接受的观念来看，每一种运动都只能被认为是相对运动……例如：1.车厢相对于路基而言是运动的，2.路基相对于车厢而言是运动的。［爱因斯坦，《狭义与广义相对论浅析》，第47页］麻烦来了，两个互相参照才能确认是否运动的参照系如何来确认谁处于绝对的静止状态、谁处于绝对运动状态呢？问题是，没有静止，哪里谈得上运动？没有运动，如何判定时间如何随运动速度而变慢多少呢（按照相对论钟慢原理，速度越快，时间越慢，速度与时间正相关。）？

这是个很有意思的话题，被无数人回答，但是，结论往往大同小异，同质化非常严重，因为时间因为运动而变慢的观点已经深入人心，谁质疑这个假说，谁就是异类。

运动能使时间变慢吗？时间的因果律被打破了吗？

1911年，在波隆哲学大会上，法国物理学家保罗·朗之万用双生子思想实验（双生子佯谬）来质疑狭义相对论的时间膨胀（动钟变慢）效应。设想有一对孪生兄弟A和B，A乘飞船从地球出发以接近光速的速度进行长程太空旅行，而B则留在地球。A所乘坐的飞船在极短的时间内加速到速度V（速度V接近光速C）。然后飞船以速度V作匀速直线飞行，飞船飞行若干年后，减速调头，然后加速到速度V匀速直线飞行返回地球。回到地面时减速、降落，与一直在地球上的B会合。根据狭义相对性原理，A的运动就意味着B的运动，两者具有绝对的相对性，两者对于自然定律完全等效。因此，A和B同样年轻，也就是说，两个人没有差别。

朗之万的思路很简单，以其之矛，攻其之盾。按照狭义相对性原理，对于乘坐太空飞船的A来说，B在地球上并非静止不动，在A看来，B和地球在极短的时间内朝相反的方向加速到速度V，然后B和地球以速度V作匀速直线飞行。若干年后，B和地球减速调头，然后加速到速度V匀速直线飞行返回。在A看来，B和地球只在启动、调头、减速的三段时间内有加速度和减速度，其余的绝大部分时间都在作匀速直线飞行。

大家有没有注意到，A和B的相对行程如同一个镜像，A的运动就意味着B的运动，也就是A和B的相对行程完全一样，如果只有一方时间变慢就会产生逻辑矛盾。如果A因为运动时间变慢，那么，也意味着B同样在运动，也会因为运动而时间变慢。如果两人都会因为运动而时间变慢，这就跌入一个怪圈。既然谁都处于运动状态，谁的时间都变慢，那么"动钟变慢"假说就失去了意义。按照狭义相对性运动原理，我们可以得出以下结论：谁的运动都不可能动摇时间的因果律，所以，当A结束高速太空旅行返回时会发现，B和A都同样自然衰老了。

爱因斯坦的回应是：1.以地球为参照系是正确的（地球上的B是静钟，请注意著名的地心说！），即A结束高速太空旅行返回时会发现B比A变老了。因为A和飞船返航时的加速度和减速度的过程，A和飞船就不再是匀速移动着的惯性坐标系了，两个互相非匀速移动着的惯性坐标系之间不再等价，所以不再具有绝对的相对性。2.是地球上的引力场差异导致两个互相移动着的惯性坐标系之间不再等价。"

从爱因斯坦的解释中我们可以发现四个问题：

1.宇宙中什么样的参照系能保持均速、直线、无转动的运动模式以符合狭义相对性运动原理呢？

2.地球上的引力场差异已经超出了狭义相对论的范畴，用这种解释的确有些牵强附会；

3.加速度的解释耐人寻味。事实上，加速度也具有相对性，A的加速度也意味着B的加速度，A和B的加速运动完全等价。

4.也是最重要的一点，狭义相对性运动原理"动钟变慢"假设的前提是在地球上的B的钟为"静钟"，即地球为静止的坐标。这又回到了地心说！

我们注意到，面对朗子万这种以其之矛、攻其之盾的质疑，爱因斯坦的回应的重点是因为加速运动，两个惯性坐标系之间不再等价，即A因为加速度而与B不再具有绝对的相对性。但是，这个世界在不断的变化之中，而人更是不断变化。不久之后，爱因斯坦就把相对性原理推广到加速系，这就是广义相对性运动原理——两个惯性坐标系的加速运动也完全等价，A的加速度也意味着B的加速度。

在牛顿力学中，速度是相对的，而加速度是绝对的。现在，爱因斯坦认为，如果惯性质量等于引力质量（等效原理），那么在一个引力场中不是引进一个惯性系，而是引进一个相对于它做加速运动的参照系，那么事物就会像在没有引力的空间里那样行动，这就是所谓的广义相对性原理：一个物体是否处于运动状态取决于另一个物体的运动状态，两个互相非匀速移动着的坐标系（参照系）之间完全等价，不可区分。

事实上，广义相对性原理承认了A的加速度运动也具有绝对的相对性，这就坐实了朗子万的质疑，即A和B无论怎样运动都具有绝对的相对性，无论A和B怎样运动，他们之间的运动状态完全等价，不可区分，它们的时间也具有绝对的相对性。这暴露出另一个问题，宇宙中什么物体是绝对"静止"的？什么地方的钟是绝对"静止"的钟？相对于地心说（所有的星球围绕地球旋转，地球是静止的），日心说是一种进步。但是，我们的太阳又围绕着银河系中心旋转的，也可称之为"银（河）心说"。地球上的钟是绝对"静止"的吗？太阳上的钟是绝对"静止"的？银河系中心的钟是绝对"静止"的？如果认为地心说是正确的理论，那么，地球上的钟就是绝对"静止"的钟，就可以作为时间的坐标来判定谁是'动钟'，判定谁的时间会有"快慢"。事实上，我们的地球有自转，也围绕太阳公转，太阳又围绕银河系公转，我们的银河系也如一片灰尘在宇宙空间中漂舞，宇宙中所有的事物都在运动，没有不运动的东西。因此，既然所有的星球都在运动、既然所有的钟都在运动，宇宙中根本没有绝对静止的钟。既然所有的钟都是"动钟"，那么就谈不上谁的钟因运动而变慢，因此，"动钟变慢效应"根本就不成立。也就是说，A和B的钟都是"动钟"，所以，A和B谁的时间也不会变慢，A和B都同样自然衰老了。

从把地球上的钟看作静止的"静钟"我们可以发现，许多人的潜意识里地球依然是静止不动的，宇宙中所有的事物都围绕着地球运动，正因为如此，"动钟变慢"这种假说才能被构想出来并被世人接受并坚决维护。

加速度不具有相对性本来是爱因斯坦用来搪塞朗之万双生子思想实验质疑的，现在他自己又将加速度纳入广义相对性运动原理，人们竟然没有发现这些解释的前后矛盾，双生子佯谬思想实验反而成了狭义相对论正确性的佐证。但是，事实无法改变，如果狭义、广义相对性原理成立，那么，"动钟变慢"假说就不成立，这会造成相对论整个逻辑链条的断裂。我们以什么为基准为坐标来确认运动？我们以什么为基准来确定时间的坐标呢？

双生子佯谬广为传播。但让人惊讶的是，这个本该给相对论致命的一击的思想实验却成为证明相对论神奇之处的证据。现在，人们认为根据狭义相对论，当A结束高速太空旅行返回地球时，发现B相对A变的更老。也就是说，运动的A 相对B来说更年轻。怎么会是这样的结局呢？

在科幻作品《三体》中，为了让地球上的人类科学发展陷入混乱，三体人向地球发射了一个智子，地球的科技发展被锁死。

智子这个名词很有意思，表面上的含义是智慧，人们会接受并拥抱这个智子，认为它代表着智慧和进步。但事实上，智子的作用恰恰是反智的。原因很简单，这就是人类的劣根性。人们往往会崇拜智者，将智者奉若神明，崇拜的五体投地。人们认为智者所有的思想都是绝对正确的，所有的行为都是绝对正确的，对智者的一切都言听计从。任何与智者不同的思想、不同的观点都被视为异端，被人类唾弃。结果，任何新思想、新观点都被扼杀在摇篮里。

智子不是一颗粒子，而是一个人，更准确的说是一个人的思想。不是这个人干了什么具体的坏事儿，而是人类对这个人、这个人的思想的崇拜让人类的固步自封，最终的结果是科学发展因此陷入了停滞。

自然界和自然界的规律隐藏在黑暗里。上帝说：让牛顿去吧！于是一切成为光明。

——亚力山大-蒲柏（1688年-1744年）

但不久恶魔说：让爱因斯坦去吧！于是一切又回到了黑暗中。

后记：这篇文章没有解析相对论尺缩钟慢是如何推导出来的，因为篇幅实在太大，很少人能一口气看完，因此只能分开来写。缺点是，每篇文章都必须加上简要的情况介绍，内容重复在所难免。没办法，只能两害之间择其轻。

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