愛因斯坦的相對論是終極答案嗎？

引子

1900 年，20 世紀的第一場雪似乎來得比以往時候更晚一些，這不是一個平靜的年份。在中國，孫中山接任了興中會會長，正式登上政治舞臺，他後來成為了中國第一個共和制總統；隨後，義和團運動達到高潮，八國聯軍攻入北京，慈禧太后和光緒皇帝倉皇逃出北京城；而沉睡了近千年的敦煌莫高窟也在這一年被首次開啟，中華文明史被重新發現；在歐洲，尼采死了，弗洛伊德發表了他的傳世名著《夢的解析》，巴黎正在舉辦世博會和第二屆夏季奧運會。這一切，都帶著創世紀的味道。

4 月 27 日，此時的英國倫敦天氣還有點陰冷。在阿爾伯馬街上的英國皇家研究所門前，人來人往，一位紳士彬彬有禮地扶著貴婦人上了馬車，趕去聽普契尼的歌劇《波希米亞人》。馬車駛過後，兩位老太太望著馬車遠去，羨慕地討論著剛才那個貴婦人的禮帽式樣。在兩個老太太的身邊，一個個穿著考究，表情嚴肅的紳士們走進了皇家研究所的大門。老太太們不知道，這些紳士都大有來頭，全是當時歐洲最有名望的科學家，他們風塵僕僕地從歐洲各國趕來參加科學大會，這在科學界是一件大事。

皇家研究所的主席臺上，站著一位白髮蒼蒼的老者，此人就是德高望重而又以頑固著稱，已經 76 歲高齡的開爾文勳爵。他用他那特有的愛爾蘭口音開始了他的演講：

“在我眼裡，我們已經取得的關於運動和力的理論是無比優美而又簡潔明晰的，這些理論斷言，光和熱都不過是運動的某種表現方式（熱是分子的運動，光是電磁波的運動）。但是我們卻看到，在經典物理學這片藍天上有兩朵小烏雲讓我們感到有些不安。自從菲涅爾先生和托馬斯·楊博士創立了光的波動學說以來，我們一直都在苦苦尋覓一個問題的答案，那就是：我們的地球是如何在以太中航行的？以太這種我們被稱為‘彈性固體’的看不見摸不著的物質存在的證據又在哪裡？這就是我要說的第一朵烏雲。”

——選自《時間的形狀：相對論史話》（汪詰著）

毫無疑問，開爾文嘴裡的這第一朵烏雲就是指的麥克爾遜—莫雷實驗，不但沒有能證明以太的存在，反而貌似恰恰證明了以太的不存在。

這第一朵烏雲已經在我們耳旁隱隱地傳來了雷聲，很快就要遮雲蔽日、掀起狂風大浪了。此時的物理學界，已是山雨欲來風滿樓了。

開爾文著名的世紀演講的五年後，時間終於走到了 1905 年，或許人類文明史上再也不會出現這樣的奇蹟年了。這一年之所以被稱為奇蹟年，是因為有一個年僅 26 歲的瑞士專利局的小職員，他在這一年中連續發表了五篇論文，每篇論文都像一顆耀眼的超新星照亮了宇宙，改變了人類物理學的紀元。

如果我們回到 1905 年，開啟這位小職員的簡歷，你會絲毫看不出他是被最多人公認的人類歷史上第一聰明的頭腦。

這份簡歷是這麼寫的：

姓名：阿爾伯特·愛因斯坦

性別：男

國籍：瑞士

年齡：26

婚姻：已婚

職業：專利局三級技術員

單位：瑞士伯爾尼專利局

學歷：蘇黎世聯邦工業大學物理專業本科畢業

愛好：拉小提琴和思想實驗

成就：還沒有

這份簡歷實在太平庸了。然而，看上去如此平庸的青年愛因斯坦，卻正在思考這個宇宙中最深邃的一個問題：時間到底是什麼？

如果我們在人類文明史中標記出幾個最基本的飛躍節點的話，那麼，1905 年的某個時刻，一定可以被鐫刻在人類文明史的豐碑上，愛因斯坦幾乎以一己之力，把人類對時間的認知帶上了一個新臺階。

現在，我想請你思考一下，假如有人問你：時間到底是什麼？你會怎麼回答？

你在思考的同時，不妨聽我給你講一下不同時代的物理學家們對時間的不同理解，您可以自我評價一下，自己對時間的理解與哪個時代的人最接近。

古典時代

漢字時間的“時”字最早出現在金文，也就是青銅器的銘文中，而後在篆書、隸書中逐漸演變成我們今天的字形。在最早的漢字甲骨文中，我們目前並沒有發現時字，但有“日”字和“辰”字，古人用它們組合起來表達時間的概念。這個時期，往往只有具體某個“時刻”的概念，還沒有產生“時間”這樣一個抽象概念。

我國的《易經》被稱為群經之首，在《易經》中出現了很多帶有“時”字的經文，比如我們最熟悉的這句“地勢坤，君子以厚德載物，時乃與之，天道酬勤。”總體來說，在《易經》中的“時”一般指的都是“時機”。後世學者給出的解釋一般是這樣：

什麼是“時機”？

“時”就是宇宙的自然法則和變化，時就是“天時”，是天定的，人無法對“時”產生任何影響。而“機”則是指人應該在合適的時候採取恰當的行動，把握住天時的變化。

我總結來說，在中國的古典時期，人們普遍認為時間是屬於完全脫離於人類活動的宇宙變化，是上天制定的無上法則。

我斗膽揣摩一下，假如我有機會去問孔孟老莊這些中國先賢：何謂“時”？我想，他們大概會這麼回答我：時這個概念無需定義，它是那種無法明說，但人人都能自然理解的概念。

講完中國，我們去看看代表西方文明起源的古希臘文明對時間的認識。亞里士多德在《物理學》這本書中，對時間有一個定義，是這樣得：

時間是運動的數量，關於前後而言。

根據後世學者的解讀，亞里士多德認為時間和運動密不可分，時間並不是獨立存在的實體，而是衡量運動和變化的一種方式。我們之所以會有時間這個概念，是因為我們能感受到運動和萬物變化，假如我們無法感知運動和變化，那時間也就不存在了。

說得更通俗一點就是，亞里士多德認為，時間是人的一種主觀體驗，它依賴於人的經驗而存在。古希臘哲學家的思想影響了整個西方文明史。

大家發現沒，古典時代的東西方對於什麼是時間的理解其實大相徑庭。我們東方人認為時間是完全不依賴於人的天道，而西方人認為時間不過是我們人類的主觀體驗，是人自己創造出來的概念。

在這裡，我不去評價東西方文明對時間理解的優劣，我只想請您思考，您更傾向於哪一種觀點。

比較遺憾的是，在清末現代物理學被逐步引入我國之前，中國人對時間的理解始終停留在《易經》的層面上，並沒有任何發展。

但西方社會進入到牛頓時代後，以牛頓為代表的物理學家們，對時間的定義逐漸清晰和明確起來。

牛頓時代

以伽利略和牛頓為代表的物理學家們建立起了經典物理學的大廈，時間 t 已經成為物理學公式中最常出現的幾個變數之一。我們要知道，一旦一個概念被數學化之後，那就必須是一個清晰而明確的概念，否則就沒法測量，沒法測量就不能資料化，沒法資料化就不可能參與運算。

牛頓給出了時間的明確概念，他對時間的理解可以總結為下面這些基本要點：

1. 時間就像是宇宙的一個基本背景，獨立於空間和物質而存在，為所有運動提供衡量快慢的參考。

2. 時間是一種連續不斷的流動，不會因為任何條件而停止，這種流動性具有絕對性和永恆性。

3. 時間是絕對均勻流逝的，並且可以無限細分。

4. 時間是描述運動變化的一個不可或缺的物理量。

我敢說，這個世界上的絕大多數現代人，都會贊同牛頓對時間的以上四點理解，因為這四條完全符合我們的日常經驗。

假如聽到這裡，你也同樣贊同牛頓的時間觀，這非常非常正常，正因為牛頓的時間觀有一種天經地義的感覺，這才把愛因斯坦的不平凡給凸顯出來。我有時候閉上眼睛會遐想，到底是怎樣的一種勇氣和聰慧，才可以讓一顆人類的大腦衝破牛頓時間觀，這實在是太不可思議了。

愛因斯坦時代

每當專利局的工作結束後，愛因斯坦總是不急於回家，而是坐在辦公室裡，用自己用完的草稿紙捲起一根紙菸，點燃，深吸一口，往椅子上一靠，開始他的思考：

假如我和光跑得一樣快，我會看到一束相對於我而言靜止的光的嗎？

請你想象一下，假如你現在駕駛著宇宙飛船，以光速飛行在黑漆漆的宇宙中，當你經過一個太空燈塔的瞬間，燈塔點亮。這時候，你會看到什麼，是一束和自己齊頭並進的光嗎？

我們來看看愛因斯坦是怎麼思考這個問題的：

什麼是光？光是一種電磁波，電磁波是怎麼傳播的呢？

根據麥克斯韋那組漂亮的方程組可以看出來，振盪的磁場必然產生振盪的電場，而振盪的電場又必然產生振盪的磁場，如此迴圈下去就成了電磁波。那麼，我是不是可以這樣認為，電磁波的傳播速度正是第一個“振盪”引起第二個“振盪”的反應速度呢？嗯，沒錯，這就好像一隊人站成一排報數一樣，聽到一的人報二，聽到二的人報三……光速其實就是這個報數的傳遞速度，它和我們常見的小球或者火車的運動速度顯然有著很大的不同。火車從這裡運動到那裡，那就是火車這個實體的位置從這裡移動到了那裡，但是電磁波，也就是光，它的傳播速度其實是“每一個報數的人，他們的反應速度”，真空充當的就是這個報數人的角色，而交替變換的電、磁場就是報出去的這個“數”。

圖源：電影《尋秘自然：時間的形狀》片段，

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在黑漆漆的宇宙中飛行，雖然我飛得跟光一樣快，但是因為沒有任何參照物，我感覺不到自己的速度，就我自己的感覺而言和靜止是一樣的。這時候如果我身邊有一束光，或者一個電磁波，我將看到什麼呢？一個靜止的電磁波嗎？也就是看到一個雖然在振盪的電磁場，但是它卻不會交替感應下去嗎？

哦，不，這顯然違背了麥克斯韋的方程組，雖然我在以光速飛行，不論是我自己用發生裝置發出一個電磁波還是我飛過一個電磁波發生裝置，我看到的電磁波都應該是相同的，因為介質沒有變。我將看到一個振盪中的電場能夠產生振盪的磁場，而一個振盪中的磁場又能夠產生振盪的電場，這個交替反應絕不會停下來。

圖源：電影《尋秘自然：時間的形狀》片段，

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再想象一下報數的情況，如果我和這隊報數的人都在一節火車車廂中，火車高速行駛，但是我並不能感覺到火車是靜止的還是運動著的，我會看到報數人的反應速度提高了嗎？這也顯然很荒謬，火車跑得再快也應該跟報數人的反應速度無關，我應該仍然看到它們以同樣的反應速度傳遞著“一、二、三……”才對啊。

這麼說來，光速應該相對於任何參照系來說，都是恆定不變的。

想到這裡，愛因斯坦手上紙菸的菸灰掉落在地上，瞬間碎成一片。愛因斯坦從沉思中回過神來，對剛才的思考感到滿意，他想這個問題已經不止一天兩天了。他拿起筆在草稿紙上寫下一句話：對於任何參考系來說，光在真空中的傳播速度恆定。

愛因斯坦的思考並沒有停下來，他接著想：

如果說，光速真的相對於任何參照系來說，都是恆定不變的。那麼，假如未來某天，發生了這樣一起案件。

在一列亞光速疾馳的火車上，有兩個人站在車廂的兩頭進行決鬥。他們的決鬥規則是這樣：在倆人的正中間有一盞訊號燈，燈亮就是拔槍訊號，生死由命，看誰槍快。當然，倆人的槍是一模一樣的。

圖源：電影《尋秘自然：時間的形狀》片段，

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現在，我想請你思考：這個決鬥規則是公平的嗎？

你看，公不公平是不是取決於下面兩個關鍵點：

站在車頭和車尾，手槍射出的子彈，相對於倆人的速度是否完全相同？
他們倆人是不是同時看到燈亮？

對於第一點，有些人可能會認為，站在車尾方向的人佔便宜，因為手槍子彈是順著火車運動方向飛行，那麼，子彈的飛行速度要加上車速。而站在車頭方向的人，則剛好相反，手槍子彈逆著火車運動方向飛行，那麼子彈的飛行速度要減去車速。

如果你也這麼想，那就是初中物理還給老師了。正確的思路是，運動都是相對的。如果以地面為參照物，那車頭方向和車尾方向射出的子彈，相對於地面的速度確實是不同的。可是，在這個案件中，我們要考慮的顯然是子彈相對於決鬥雙方的速度。這時候，因為決鬥雙方也在隨著火車一起運動，因此，當我們把火車的窗簾全部拉上，站在車裡面看倆人決鬥，那就跟站在靜止的車廂中看倆人決鬥是沒有區別的，子彈相對於決鬥雙方的運動速度並不會發生改變。

所以，是不是公平的第一條，也就是子彈的飛行速度，對雙方而言，當然是公平的。

關鍵問題是第二條，他們倆人是不是同時看到燈亮呢？

圖源：電影《尋秘自然：時間的形狀》片段，

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愛因斯坦經過一番認真的思考和推敲，他竟然發現了一件極其詭異的事情。

愛因斯坦發現，如果有人站在車廂中觀察，會認為他們倆是同時看到燈亮，決鬥規則是公平的。但如果有人站在車外觀察，則會認為他們倆不是同時看到燈亮，決鬥規則是不公平的。是不是同時，取決於所選取的參考系。

這就是愛因斯坦在 1905 年石破天驚的一次思考，他得出的這個思考結果徹底衝破了牛頓建立的經典時間觀，也是人們對時間的最樸素感受。當我們在日常生活中說某人和某人同時做某事的時候，那就是表示這倆人是絕對的同時，時間是脫離空間和物質的永恆存在，同時就是同時，這個概念本身沒什麼可爭議的。

現在，愛因斯坦發現，同時不是絕對的，同時是相對的，我們這個宇宙中，不存在絕對的同時。

當然，愛因斯坦的思考並沒有就此停止，他接著又設想了一個詭異的情形。

假如，想象我在宇宙中開著一艘非常接近光速的飛船，當我開啟飛船船頭大燈時，站在飛船上的我會看到這束光正以 30 萬千米每秒的速度遠離自己而去。但詭異的是，假如這時候有人在地面拿著望遠鏡看我的飛船，他應該會看到什麼景象呢？也是飛船上的光以 30 萬千米每秒的速度遠離飛船呢？還是說，他會看到飛船和飛船射出的光幾乎齊頭並進，慢慢拉開距離呢？

請想一想，出現什麼樣的情形才是合理的。因為光速相對於地面上的觀察者而言，也是 30 萬千米每秒的速度，而飛船相對於地面的飛行速度非常接近光速，因此，地面上的觀察者，應當會看到飛船和飛船射出的光慢慢拉開距離。

請大家跟上我的思路，想一想，這不是一件非常矛盾的事情嗎？站在飛船上的人，看到的是眼前的光嗖的一下就跑到宇宙深處了。但站在地面上的觀察者，看到的卻是飛船上的光和飛船慢慢拉開距離。

愛因斯坦想來想去，要解決這個矛盾，唯一的方案就是：飛船上的時間和地面上的時間流逝速度是不同的。用最通俗的一句話來說，那就是，飛船一秒鐘可以等於地面一小時。只要我們打破時間絕對流逝、永恆不變的樸素觀念，就能自然而然地理解這個思想實驗中的矛盾了。看似矛盾，其實並不矛盾。

這就是愛因斯坦為人類重新建立的相對論時空觀，在它剛誕生的時候，遭到了無數的質疑和反對，但是，現在，它已經是被寫入我們高中物理教科書中的常識，儘管這個常識一點兒也都不符合我們的日常感知。但它是對的，它已經被科學家們千百次地驗證過。

如果聽到這裡，你發現自己的時間觀念原來停留在牛頓時代，那麼恭喜你，從這一刻開始，你進入到了愛因斯坦時代。

但愛因斯坦的時間觀就是最新最好的了嗎？當然不是，當人類進入到探索微觀世界的量子物理學時代後，我們對什麼是時間，又產生更多終極思考。

量子物理時代

當人類文明的紀元進入到二十世紀之後，在一大群天才物理學家的努力下，人類終於敲開了微觀世界的大門，無數新奇而又美麗的風景展現在我們眼前。

二十世紀最初的五、六十年被稱為人類物理學的黃金時代，我們開始探索隱藏在物質最深處的奧秘。概括來說，物理學家們發現，物質和能量不是無限可分的，它們都有一個最小的基本單位。這個世界上的一切物質，都是由不可再分的基本粒子構成的。這些基本粒子的微小尺度令人感到不可思議，但在數學上，它們就是有一個最小尺度的。而我們在宏觀世界看到的一切，都是無數個基本粒子互相作用下的一種湧現。

這裡，我要跟你講解一下物理學中的這個術語——湧現。這個詞現在越來越多地出現在各種物理學研究和最新的科普文章中，湧現是非常迷人的一種現象。

比如說，你可能在生活中或者電視中見過魚群和鳥群。我們盯著魚群中的某一條具體的魚觀察時，我們會發現，它的運動非常雜亂無章，似乎是完全隨機的。但是，當我們把視角擴大到整個魚群時，我們會發現魚群的整體運動是另一番景象，整個魚群就像是一個單一的有生命的個體，它們會躲避障礙，做規律的幾何運動等等。這就是一種湧現，也就是說，單個物體的運動模式和整體的運動模式非常不同。

剛才舉的這個例子是一個宏觀上的例子，你可能比較容易理解。我再來舉一個不是那麼好理解的例子。我們知道，水是由無數個水分子組成的。當水流的流速達到某個臨界點時，水流會突然從有規律的層流轉變成看似毫無規律的湍流。我們在小溪中，會經常看到水流經過某一塊石頭後，就轉變成白花花的一片。在這片白花花的水浪中，大漩渦套著小漩渦，水流的運動變得複雜多變。這也是一種湧現。

再比如，一杯水從液態轉變成固態或者氣態，也是在某個臨界點之後突然轉變的，這也是一種湧現。更有意思的是，人類的意識也是一種湧現。我們的大腦皮層中有幾百億個神經元，如果我們單獨觀察其中的每個神經元，我們不可能觀察到意識，但這幾百億個神經元聚集在一起，相互作用時，人就產生了智慧和意識，這也是一種湧現。

總之，湧現在這個宇宙中無處不在，當物理學家們仔細去觀察宇宙中的各種現象時，他們發現，所有的宏觀現象，似乎都是基本粒子隨機運動的一種湧現。

總結來說，湧現的核心特徵是：複雜系統中的整體行為和性質無法僅僅透過分析單個組成部分來預測。透過區域性部分的相互作用，宏觀系統產生了新的特性。這些特性只有在系統整體的尺度上才能觀察到，且往往具有非線性、不可預測的性質。

現代的物理學家正在追問一個問題：時間會不會也是一種湧現呢？

愛因斯坦認為，時間是一個維度，它和空間維度一起，構成了我們生活的四維時空。換句話說，在相對論的理論框架中，時間被認為是宇宙結構的一部分，是最基本的結構，時間就是時間，你沒有辦法繼續追問：時間是由什麼組成的？

我打個比方，在十九世紀，人們發現萬物皆原子，任何物質都是由不同性質的原子構成的，而世界上的原子種類並不多，也就 100 多種。但是，進入到二十世紀後，物理學家們就開始問：原子是由什麼組成的？現在我們知道，原子可以拆分為原子核和電子，原子核又可以拆分為質子和中子，質子還可以繼續由六種不同的夸克組成。你看，隨著人類科學的進步，對物質世界的不斷探索，我們逐步發現原子不是基本結構，原子核也不是，質子也不是。

同樣的道理，現在，理論物理學家們又開始追問：時間就是基本結構了嗎？時間會不會是一些更基本的結構的湧現呢？例如，在量子引力理論和絃理論的框架下，時空的結構可能在極小的尺度上並不是連續的，而是離散的。在這些理論中，時間不再被認為是一個基本的、獨立的維度，而是從更基本的結構中湧現出來的。時間可能在極微觀的尺度上並不存在，而是由一些更加基本的物理過程，很可能是像量子糾纏這樣的相互作用所湧現出來的。