光子钟实验揭示光子振动规律

在前文的例子里，我们已经知道速度会影响汽车内钟表的计时，但无法确认到底是汽车所在的时间维度发生改变，使得时间的流逝变慢了，还是高速度下的钟表出现了计量或显示上的问题。我们有办法弄清其中的秘密吗？接下来让我们一探究竟。

前面提到，相对论、量子力学以及粒子的标准模型，这些虽然是现代物理学的核心与前沿领域，但它们的一些内容依然存在冲突，甚至随着研究深度与角度的变化，对同一个物理现象会做出不同的假设，也会出现不同的认知，但并没有哪种诠释能被所有人接受，毕竟，物理学是一门还在发展中的科学。

为了更清楚地讨论问题，并且避免不同观点与概念之间互相干扰，我们需要设置一个相对单纯的理论环境。所以，接下来让我们一起穿越，回到一个相对论和量子论还没有被提出的时间点，比如1900年，这也是人类对微观粒子的认识还很模糊的时代。

现在，在1900年牛津大学的实验室里，让我们围坐在一起，讨论几个当时还不那么受重视的问题。

第一个问题：

速度会对时间造成影响吗？

很显然，既然我们想研究速度对时间的影响，那就无法离开对时间的计量。这时，有人设计了一种特殊的钟表以便开展相关实验。

这个特殊的钟表是一台光子钟，一种极度简化的光学计时设备，如下图所示。

图2-1　静态的光子钟模型

这台光子钟的主体由上下两个反光板与一个运动的光子组成。两个反光板彼此平行，间距是15cm。运动的光子在两个反光板之间的垂直方向上做折返运动，每次会撞击到上下反光板相同的位置B和A。光子钟的内部为真空，所以，在这个光子钟内，光子以光速c在两个反光板之间的空间内移动，我们采用30万公里/秒这个简化的数值以便于计算。

除此之外，还需要一个专门的计数器，用来记录光子在AB两点之间振动的次数。光子从下反光板的A点出发，到达对面反光板的B点，再反射回A点，这便是光子钟内光子的一次振动，每当光子到达A点，让计数器加1。这个光子会在光子钟内持续振动，所以计数器的数字也会持续增长。

我们可以很容易地计算出，在1秒内，光子会做300000000/（0.15×2）=10亿次周期振动。

也就是说，如果计数器可以精准地记录光子在AB两点之间振动的次数，那么，每当计数器的记录增加了10亿，就可以认为时间经过了1秒钟。

这台光子钟被安置在地面上。接下来，我们将另一台构造完全相同的光子钟放置在一个速度非常快的亚光速飞船中，然后让飞船启动，以一个极高的速度飞离地球，并且要让飞船飞行的速度方向垂直于光子钟内AB这条线。然后，我们根据这两台光子钟的计时，对比地球上和飞船上时间的差异。

假设留在原地的我们能够时刻了解这艘亚光速飞船上的一切，也就是地球上的观察者可以用某种速度无穷大的方式即时观测飞船上的一切，而不是只能依靠速度上限为c的光或者无线电来进行信息传达，那么，如果我们对飞船上的这个光子钟进行即时观察，会发现什么？

当然，我们还要假设地球在宇宙空间中是绝对静止的状态，而亚光速飞船里的光子钟和其内光子的运动轨迹则如下图所示。

图2-2　运动的光子钟模型

首先我们要知道，在封闭且匀速运动的飞船里，宇航员没有办法凭空判断飞船的运动状态，更无法确认自己在空间中的速度，就像当我们坐火车时会认为自身是静止的，而窗外的世界在倒退。

凭自身感觉与对外观察，飞船上的宇航员会认定自身处于静止状态而地球在高速飞离。即使当宇航员启动飞船上的光子钟，也只会发现光子钟内的光子仍然照常循环往复，从A到B，再从B到A，计数器加1。而光子钟内光子的运动方向也还是永远垂直于反光板，如同它还在地面上时，像这样原地振动：↑↓↑↓↑↓。

而留在地球上的我们在观察飞船上的这个光子钟时，会发现，飞船在空间中的位置一直在改变，因此光子钟的位置、光子钟上下反光板上的A点与B点在空间中的位置也随之改变。光子钟内的振荡光子，其路径虽然是从下反光板的A点到上反光板的B点再回到A点，可随着飞船的前进，随着A点和B点在空间中实际位置的不断改变，这个光子在空间中的移动轨迹成了一条斜线或者往复的折线，也就是：↗↘↗↘↗↘，而不再与反光板垂直。

但无论光子的振动方向如何，作为静止在地球上的观测者，我们可以确认在任意时刻，光子在空间中移动的速度恒定为c。

依据飞船速度的方向与光子在空间中移动的真实方向，我们可以把这个光子的速度分割成垂直和水平的两个矢量速度，让光子的一个矢量方向与飞船的速度方向相同（那么这个矢量速度必然等于飞船的飞行速度），而另一个矢量方向则与反光板垂直。

图2-3　运动时光子钟内光子速度的矢量分解图

光子在空间中移动的速度恒定为c，如果飞船向右的移动速度是v，则光子在相应方向上的矢量速度也会是v，而垂直于反光板运动的矢量速度必定是。

让我们简化一下，把上面的速度换成便于口算的数字，让v=0.8c，很容易算出，这个光子在垂直方向上的移动速度为v'=0.6c。

如果我们去观察那台地面上的对比光子钟，因为地球在宇宙中是绝对静止的状态，所以其内部光子在两个反光板之间垂直方向上的相对速度仍然是光速。(https://www.xing528.com)

由此可以认为：

如果地球在宇宙空间中绝对静止，作为在地球上的观测者，我们会发现在高速移动的飞船上，光子钟内的光子在两块反光板之间振动的相对速度变慢了。

当然，使用上面的数字只是为了方便口算，我们也可以掏出笔和纸，使用相应的公式来计算，这些都不难。

虽然现在我们还无法确定时间到底是一种物质还是一种观念，而时间变慢到底是时间流逝速度变慢还是对时间的记录变慢，但有一个基础公式肯定是正确的，甚至可以说，这是人类对时间这个概念做出的一种基本设定，即：

时间=距离/速度

如果光子在光子钟内垂直运动的速度变慢，一次振动需要的时间就会增加。因此，留在地面上的光子钟，也就是被视为静止的光子钟，当其内的光子振动一个周期时，飞船上光子钟内的光子只能振动0.6个周期；当地面上光子钟内的光子振动了10亿次时，飞船上光子钟内的光子只振动了6亿次。这是因为当这艘亚光速飞船的速度是0.8c时，光子在两个反光板之间的相对速度降低了。

按上文所说，如果光子钟内光子振动10亿次的时间被观测者计为1秒钟，那么当地球上的光子钟显示出1秒时，飞船上光子钟显示的时间是0.6秒。当飞船上光子钟内的光子也振动了10亿次并显示1秒时，地球上的光子钟显示的是5/3秒（1.6667秒）。

因此，如果把飞船上的这个光子钟当作飞船上计时工具的话，留在地球上的观测者会发现飞船上光子钟的计量变慢了。而且飞船的速度与光子钟的计量相关，飞船的速度越快，飞船上光子钟的计量就越慢。如果飞船相对于地球静止，那飞船上的光子钟与地球上的会保持同步。

如果只考虑这个光子钟，我们可以看到，飞船的速度直接影响了飞船上光子钟对时间的计量，甚至不需要假设时间维度的存在，我们可以认为这说明：

飞船的速度影响的不是时间流逝的速度，而只是对时间的计量。

以上解释并没有涉及现代物理学的内容，它应用的时空规则更接近牛顿的表达。它认为时间只是一种计量，不过随着惯性系速度的增加，它对时间的“计时”会减少，但并不需要想象时间与空间会像物质那样发生变化，而光速恒定为c可以被以太观念所解释——这是生活在1900年的人在经典物理学体系下，在对绝对时空观做出一定修正后可以得出的结论。

但是，如果真有这样一艘高速飞船，变慢的显然不仅只有这个光子钟的计量，飞船上也不应当只有光子钟这一种计时工具，飞船上的一切都应当会变慢，无论是飞船上观测者的感知，还是飞船上携带的其他类型的计时器，还是飞船上其他一切行为，都应该变慢同样的比率。

显然，在经典物理学的思想下，虽然我们可以解释为什么这个光子钟的计时会变慢，却无法解释为什么飞船上的一切都会变慢同样的比率，为什么飞船上宇航员的感知也会变慢，为什么其他的计时工具也会变慢。

但在对这类现象进行解释时，相对论却可以做到举重若轻。

按照爱因斯坦对时空的认知，整个飞船处在一个统一的四维时空结构内。对于地球上的观测者来说，飞船的速度导致飞船所在惯性系的四维时空结构发生了形变，其中时间维度的膨胀引发了时间效应，所以在地球上的观测者看来，飞船整个惯性系内的时间流逝速度都变慢了。也就是说：

变慢的并不是对时间的计量，而是时间本身，也即时间流逝的速度发生了改变。

在第一个光子钟实验里，我们可以得出一个明确的结论，即对于地球上的观测者来说，以0.8倍光速运动着的光子钟，其上显示的数字是静止光子钟显示数字的3/5。

如果只考虑这个光子钟，有两种观点能对这个实验进行解释与计算。这两个观点分别是：

经典物理学的观点A：

速度会影响对时间的计量，时间维度并不是一个真实的物理量。

现代物理学的观点B：

相对速度会影响对时空结构的观测，时间维度会发生膨胀，与时空结构对应的惯性系内，时间流逝的速度会因此变慢。

观点A可以很好地解释为什么速度会影响光子钟的计时，它可以非常详尽地描述每个细节，但无法解释为什么光子钟外的其他计时器也会变慢。

观点B可以很好地解释为什么飞船上的一切都变慢了，但还是无法证明时空结构或者时间维度到底是真实存在的物质，还是仅存在于人们观念中的认知，更无法解释相对速度是通过怎样的物理机制影响时空结构内的具体物质的。

很显然，现代物理学中的相对论体系配合相对时空观，可以解释的疑点更多，也更好应用与计算，而且，牛顿的经典时空观认为时间是绝对的，这一点显然存在问题。所以，如果必须在两种思路下二选一，我们一定会选择后者，只不过之前提到过，这并不是一个非常完备的解释。

毕竟，在这个实验中，光子钟的时间的确变慢了，但是，这是时间流过物体的速度变慢了？还是时间这种物质的维度膨胀了？还是对时间的记录变少了？抑或是光子钟内光子的运动周期变长了？

各种可能性仍然存在。在我们找到一个足够完备的解释之前，一切可能性都不应当轻易舍弃。探究刚刚开始，且让我们继续，并在这个实验的基础上，进行下一个更进一步的思想实验。