爱因斯坦改变了我们对时空的认识

第七章　时空

人们都知道爱因斯坦用时空代替了空间和时间，但是不熟悉数理物理学的人对于这个变化的性质一般只有一种非常模糊的概念。由于它在我们对于理解世界的结构所作的努力上是一个重大的变化，所以我将在本章内对它所包含的具有哲学意义的部分加以说明。

也许最好的出发点是发现“同时性”的意义在应用于不同地点的事件时是含混的。实验，特别是迈克耳逊－莫雷实验，引导我们得出光速对于一切观察者都相同的结论，不管它们怎样运动。乍看这似乎是一种逻辑上的不可能。如果你坐在一列每小时走30英里的火车里，另外有一列每小时走60英里的火车从你旁边经过，那么它相对于你的速度将是每小时30英里。但是如果它以光的速度来运动，那么它相对于你的速度将等于它相对于地面上固定点的速度。β粒子运动速度有时达到光速的百分之九十，但是如果一位物理学家能以这样的粒子速度运动，并且光线从他旁边经过，那么他仍然会认为光相对于他的速度与他相对于地球来说处于静止状态时光的速度一样。这种悖论可以由这件事实得到说明：都带有完全准确时计的观察者对于时间会得出不同的估计，对于在不同地点的同时性也会作出不同的判断。

一旦有人指出造成这类差别的必然性，我们就不难看出这一点来。假定天文学家观察到太阳上发生的一个事件，并记录下观察的时间；他将推论出事件大约发生在他观察前八分钟，因为这正是光从太阳到达地球所需的那段时间。但是现在假定地球正在很快地走近或离开太阳。除非你早已知道按照地球上的时间，太阳上发生的事件是在什么时刻发生的，你就不会知道光需要走多远的路程，因而你的观察不能使你知道太阳上的事件是在什么时间发生的。这就是说，对于下面的问题不会有确定的答案：地球上什么事件与你观察到的太阳上的事件同时发生？

从同时性的意义上的含混就得出关于距离的概念的类似的意义上的含混。如果两个物体处在相对运动状态，它们之间的距离就不断发生变化，而在相对论出现以前的物理学中人们假定有一种作为它们“在某一瞬间的距离”的量。但是如果关于两个物体的同一瞬间有着意义上的含混，那么“在某一瞬间的距离”也存在着意义上的含混。一个观察者得出一种估计，另外一个观察者又得出另一种估计，我们没有任何理由选取其中任何一个。事实上，时间间隔与空间距离都不是独立于观察者身体运动的东西。关于时间与空间分别测量上存在着一种主观性——不是心理上的而是物理上的主观性，因为它不仅影响有心理作用的观察者还影响到仪器。它就像照相机的主观性一样，照相机是采取某一观点来进行摄影的。采取其他观点摄影得出的照片看来会不相同，而其中没有一张照片有理由被认为格外正确。

可是在两个事件之间却有着对于所有观察者都相同的一种关系。以前有两种关系，即空间的距离与时间的长短，但是现在只有一种关系，那就是“间隔”。由于只有这一种间隔关系，而不是距离与时间的长短，所以我们必须用时空一个概念来代替空间与时间两个概念。但是尽管我们不能再把空间和时间分开，却仍然存在着两种间隔，一种和空间相似而另一种和时间相似。如果光的信号从发生一个事件的物体传到另一个事件发生后发生这另一个事件的物体上，那么这种间隔和空间相似。（可以注意到在某个特定物体上发生的事件的时间顺序是没有意义上的含混的。）如果光的信号从一个事件传到另一个事件发生前发生这另一个事件的物体上，那么这种间隔和时间相似。因为光的速度最快，所以我们可以说在一个事件对于另外一个事件，或者对于与这另外一个事件在同一时空领域内的某个事件产生影响时，这种间隔就和时间相似；如果这种情况不可能，那么这种间隔就和空间相似。

在狭义相对论中“间隔”的定义是简单的；在广义相对论中“间隔”的定义却比较复杂。

在狭义相对论中，假定有一个观察者把自己看成静止不动，把两个事件之间的距离估计为r，把它们之间时间的长短估计为t。那么让c代表光速，如果间隔和时间相似，间隔的平方就是：

c²t²－r²

如果间隔和空间相似，间隔的平方就是：

r²－c²t²(www.xing528.com)

把间隔看成两者当中任何一个在实用上一般就比较简单，在这种情况下另一种间隔的平方是负数，而这种间隔是虚数。

在不涉及引力和电磁力的情况下，我们发现上面这种定义规定的间隔对于所有观察者都是相同的，所以可以把它看作一种介乎两个事件之间的真正的物理关系。

广义相对论通过引入一种给“间隔”所下的修改过的定义把上面这种限制取消了。

在广义相对论中不再存在介乎较远的事件之间，而仅存在介乎彼此非常接近的事件之间的“间隔”。当离物质有很远的距离时，这个计算间隔的公式近似狭义相对论中的间隔，但是在其他地方这个公式就随着物质的接近而有不同。人们发现可以调整公式，使它能说明引力，只要假定自由运动的物质必定在短程线内运动；这就是说，从任何一点到邻近一点之间选择最短的或最长的路途。

人们假定时空点有着不依靠间隔的顺序，所以在任何路途上一个点可能介乎两个与它相接近的点之间。举例来说，在一条光线上的两个不同点之间的间隔为零，但是这些点仍然具有时间上的顺序：如果一条光线从太阳向外行进，那么它接近太阳的部分就比它远离太阳的部分时间靠前。人们在规定坐标时就先假定了事件的时空顺序，因为尽管这在很大程度上是一种约定，它却永远必须使得邻近的点具有相差不大的坐标，这些点的坐标之间的差别以零为极限。

如果我们把物理世界看成一个四度的事件簇，而不是一个永存的运动的质粒簇，那就必须找出一种方法来确定我们说两个事件属于同一块物质的历史这句话时指的是什么意思。除非我们有这样一种定义，“运动”就没有确定的意义，因为运动就是一件东西在不同时间位于不同的地点。我们必须把“质粒”或物质的点定义为一系列彼此有着不与其他时空点共有的一种因果关系的时空点。关于这种方法从原则上说并没有什么困难。人们习惯上都把动力学的定律的叙述建立在有着永存的质粒的假定之上，并用这些定律来确定A和B两个事件是否属于一个质粒。我们只是把这些定律保留下来，而把A和B属于相同的传记这个说法改变为“传记”的定义；在以前这个说法看来似乎却是一个确确实实的肯定。

也许这一点需要进一步加以说明。从认为有着永存的物质个体的假定出发，我们得出把在一个时间的一块物质的情况与它在另一时间的情况联系起来的物理定律。（这类定律中最明显的一个就是惯性定律。）我们现在用另外一种方式说出这些定律：我们说已知在某一小的时空领域中有一个某一种类的事件，那么在邻近领域中就有与该已知事件在某些特定方面相关的邻近的事件。我们说一系列在某些特定方面彼此相关的事件可以叫作在不同时间的同一块物质。这样，物质与运动就不再是属于物理学的基本机构的东西了。基本概念是四度的事件簇，以及各种因果关系。将有一些关系使得我们把所讨论的事件看作属于同一块物质，另外有一些关系使得我们把它们当作属于不同的但却互相作用的物质个体，还有一些关系把一块物质与它的“空的”环境（例如光的发散）关联起来，最后还有一些关系把共同在空的空间中的事件关联起来，比方说一条光线上的各部分。

把事件集合起来成为系列，用以保证物质永存，这种可能性只能是部分的和近似的。如果把原子描绘成一个周围有电子运行的核，我们就不能说某某新状态下的电子经过量子转变之后与某某旧状态下的电子是同一个电子。我们甚至不能确切地知道宇宙中电子的数目是固定不变的。质量只是能的一种形式，我们找不出任何理由认为物质不能分解为能的其他形式。物理学中基本的概念是能而不是物质。我们不给能下定义：我们只是发现关于能的分布的变化的定律。这些定律不再是一些处理原子现象时确定唯一结果的定律，尽管从统计数字上看宏观现象仍然保持着概率很高的确定性。

物理学技术上所假定的时空的连续性，除了技术上的方便之外，并没有什么证实它存在的根据。情况可能是这样：时空点的数目是有限的，并且时空具有细粒状的结构，像一堆沙土。如果这种结构足够细微的话，那就没有可以观察到的现象表明连续性不存在。从理论上讲，可能会有不利于连续性的证据，但是从来不可能有有利于它的起决定性作用的证据。

相对论并没有影响到知觉的空间与时间。我从知觉认识到的空间和时间与物理学中专属于随着我的身体运动的轴的空间和时间是互相关联的。相对于与某一块物质相连的轴来说，旧的把空间和时间分开的看法仍然成立；只有在我们比较两组正在快速相对运动中的轴的时候，才出现相对论所解决的那些问题。因为没有两个人具有接近光速的相对速度，所以对他们的经验进行比较不会显示出飞机具有β粒子那样快速运动时所产生的那些差别。因此，在空间和时间的心理学研究中，我们可以不必把相对论考虑在内。