爱因斯坦的相对论是终极答案吗？

摘要：1900 年，20 世纪的第一场雪似乎来得比以往时候更晚一些，这不是一个平静的年份。在中国，孙中山接任了兴中会会长，正式登上政治舞台，他后来成为了中国第一个共和制总统；随后，义和团运动达到高潮，八国联军攻入北京，慈禧太后和光绪皇帝仓皇逃出北京城；而沉睡了近千年

引子

1900 年，20 世纪的第一场雪似乎来得比以往时候更晚一些，这不是一个平静的年份。在中国，孙中山接任了兴中会会长，正式登上政治舞台，他后来成为了中国第一个共和制总统；随后，义和团运动达到高潮，八国联军攻入北京，慈禧太后和光绪皇帝仓皇逃出北京城；而沉睡了近千年的敦煌莫高窟也在这一年被首次打开，中华文明史被重新发现；在欧洲，尼采死了，弗洛伊德发表了他的传世名著《梦的解析》，巴黎正在举办世博会和第二届夏季奥运会。这一切，都带着创世纪的味道。

4 月 27 日，此时的英国伦敦天气还有点阴冷。在阿尔伯马街上的英国皇家研究所门前，人来人往，一位绅士彬彬有礼地扶着贵妇人上了马车，赶去听普契尼的歌剧《波希米亚人》。马车驶过后，两位老太太望着马车远去，羡慕地讨论着刚才那个贵妇人的礼帽式样。在两个老太太的身边，一个个穿着考究，表情严肃的绅士们走进了皇家研究所的大门。老太太们不知道，这些绅士都大有来头，全是当时欧洲最有名望的科学家，他们风尘仆仆地从欧洲各国赶来参加科学大会，这在科学界是一件大事。

皇家研究所的主席台上，站着一位白发苍苍的老者，此人就是德高望重而又以顽固著称，已经 76 岁高龄的开尔文勋爵。他用他那特有的爱尔兰口音开始了他的演讲：

“在我眼里，我们已经取得的关于运动和力的理论是无比优美而又简洁明晰的，这些理论断言，光和热都不过是运动的某种表现方式（热是分子的运动，光是电磁波的运动）。但是我们却看到，在经典物理学这片蓝天上有两朵小乌云让我们感到有些不安。自从菲涅尔先生和托马斯·杨博士创立了光的波动学说以来，我们一直都在苦苦寻觅一个问题的答案，那就是：我们的地球是如何在以太中航行的？以太这种我们被称为‘弹性固体’的看不见摸不着的物质存在的证据又在哪里？这就是我要说的第一朵乌云。”

——选自《时间的形状：相对论史话》（汪诘著）

毫无疑问，开尔文嘴里的这第一朵乌云就是指的麦克尔逊—莫雷实验，不但没有能证明以太的存在，反而貌似恰恰证明了以太的不存在。

这第一朵乌云已经在我们耳旁隐隐地传来了雷声，很快就要遮云蔽日、掀起狂风大浪了。此时的物理学界，已是山雨欲来风满楼了。

开尔文著名的世纪演讲的五年后，时间终于走到了 1905 年，或许人类文明史上再也不会出现这样的奇迹年了。这一年之所以被称为奇迹年，是因为有一个年仅 26 岁的瑞士专利局的小职员，他在这一年中连续发表了五篇论文，每篇论文都像一颗耀眼的超新星照亮了宇宙，改变了人类物理学的纪元。

如果我们回到 1905 年，打开这位小职员的简历，你会丝毫看不出他是被最多人公认的人类历史上第一聪明的头脑。

这份简历是这么写的：

姓名：阿尔伯特·爱因斯坦

性别：男

国籍：瑞士

年龄：26

婚姻：已婚

职业：专利局三级技术员

单位：瑞士伯尔尼专利局

学历：苏黎世联邦工业大学物理专业本科毕业

爱好：拉小提琴和思想实验

成就：还没有

这份简历实在太平庸了。然而，看上去如此平庸的青年爱因斯坦，却正在思考这个宇宙中最深邃的一个问题：时间到底是什么？

如果我们在人类文明史中标记出几个最基本的飞跃节点的话，那么，1905 年的某个时刻，一定可以被镌刻在人类文明史的丰碑上，爱因斯坦几乎以一己之力，把人类对时间的认知带上了一个新台阶。

现在，我想请你思考一下，假如有人问你：时间到底是什么？你会怎么回答？

你在思考的同时，不妨听我给你讲一下不同时代的物理学家们对时间的不同理解，您可以自我评价一下，自己对时间的理解与哪个时代的人最接近。

1 古典时代

汉字时间的“时”字最早出现在金文，也就是青铜器的铭文中，而后在篆书、隶书中逐渐演变成我们今天的字形。在最早的汉字甲骨文中，我们目前并没有发现时字，但有“日”字和“辰”字，古人用它们组合起来表达时间的概念。这个时期，往往只有具体某个“时刻”的概念，还没有产生“时间”这样一个抽象概念。

我国的《易经》被称为群经之首，在《易经》中出现了很多带有“时”字的经文，比如我们最熟悉的这句“地势坤，君子以厚德载物，时乃与之，天道酬勤。”总体来说，在《易经》中的“时”一般指的都是“时机”。后世学者给出的解释一般是这样：

什么是“时机”？

“时”就是宇宙的自然法则和变化，时就是“天时”，是天定的，人无法对“时”产生任何影响。而“机”则是指人应该在合适的时候采取恰当的行动，把握住天时的变化。

我总结来说，在中国的古典时期，人们普遍认为时间是属于完全脱离于人类活动的宇宙变化，是上天制定的无上法则。

我斗胆揣摩一下，假如我有机会去问孔孟老庄这些中国先贤：何谓“时”？我想，他们大概会这么回答我：时这个概念无需定义，它是那种无法明说，但人人都能自然理解的概念。

讲完中国，我们去看看代表西方文明起源的古希腊文明对时间的认识。亚里士多德在《物理学》这本书中，对时间有一个定义，是这样得：

时间是运动的数量，关于前后而言。

根据后世学者的解读，亚里士多德认为时间和运动密不可分，时间并不是独立存在的实体，而是衡量运动和变化的一种方式。我们之所以会有时间这个概念，是因为我们能感受到运动和万物变化，假如我们无法感知运动和变化，那时间也就不存在了。

说得更通俗一点就是，亚里士多德认为，时间是人的一种主观体验，它依赖于人的经验而存在。古希腊哲学家的思想影响了整个西方文明史。

大家发现没，古典时代的东西方对于什么是时间的理解其实大相径庭。我们东方人认为时间是完全不依赖于人的天道，而西方人认为时间不过是我们人类的主观体验，是人自己创造出来的概念。

在这里，我不去评价东西方文明对时间理解的优劣，我只想请您思考，您更倾向于哪一种观点。

比较遗憾的是，在清末现代物理学被逐步引入我国之前，中国人对时间的理解始终停留在《易经》的层面上，并没有任何发展。

但西方社会进入到牛顿时代后，以牛顿为代表的物理学家们，对时间的定义逐渐清晰和明确起来。

2 牛顿时代

以伽利略和牛顿为代表的物理学家们建立起了经典物理学的大厦，时间 t 已经成为物理学公式中最常出现的几个变量之一。我们要知道，一旦一个概念被数学化之后，那就必须是一个清晰而明确的概念，否则就没法测量，没法测量就不能数据化，没法数据化就不可能参与运算。

牛顿给出了时间的明确概念，他对时间的理解可以总结为下面这些基本要点：

1. 时间就像是宇宙的一个基本背景，独立于空间和物质而存在，为所有运动提供衡量快慢的参考。

2. 时间是一种连续不断的流动，不会因为任何条件而停止，这种流动性具有绝对性和永恒性。

3. 时间是绝对均匀流逝的，并且可以无限细分。

4. 时间是描述运动变化的一个不可或缺的物理量。

我敢说，这个世界上的绝大多数现代人，都会赞同牛顿对时间的以上四点理解，因为这四条完全符合我们的日常经验。

假如听到这里，你也同样赞同牛顿的时间观，这非常非常正常，正因为牛顿的时间观有一种天经地义的感觉，这才把爱因斯坦的不平凡给凸显出来。我有时候闭上眼睛会遐想，到底是怎样的一种勇气和聪慧，才可以让一颗人类的大脑冲破牛顿时间观，这实在是太不可思议了。

3 爱因斯坦时代

每当专利局的工作结束后，爱因斯坦总是不急于回家，而是坐在办公室里，用自己用完的草稿纸卷起一根纸烟，点燃，深吸一口，往椅子上一靠，开始他的思考：

假如我和光跑得一样快，我会看到一束相对于我而言静止的光的吗？

请你想象一下，假如你现在驾驶着宇宙飞船，以光速飞行在黑漆漆的宇宙中，当你经过一个太空灯塔的瞬间，灯塔点亮。这时候，你会看到什么，是一束和自己齐头并进的光吗？

我们来看看爱因斯坦是怎么思考这个问题的：

什么是光？光是一种电磁波，电磁波是怎么传播的呢？

根据麦克斯韦那组漂亮的方程组可以看出来，振荡的磁场必然产生振荡的电场，而振荡的电场又必然产生振荡的磁场，如此循环下去就成了电磁波。那么，我是不是可以这样认为，电磁波的传播速度正是第一个“振荡”引起第二个“振荡”的反应速度呢？嗯，没错，这就好像一队人站成一排报数一样，听到一的人报二，听到二的人报三……光速其实就是这个报数的传递速度，它和我们常见的小球或者火车的运动速度显然有着很大的不同。火车从这里运动到那里，那就是火车这个实体的位置从这里移动到了那里，但是电磁波，也就是光，它的传播速度其实是“每一个报数的人，他们的反应速度”，真空充当的就是这个报数人的角色，而交替变换的电、磁场就是报出去的这个“数”。

图源：电影《寻秘自然：时间的形状》片段

在黑漆漆的宇宙中飞行，虽然我飞得跟光一样快，但是因为没有任何参照物，我感觉不到自己的速度，就我自己的感觉而言和静止是一样的。这时候如果我身边有一束光，或者一个电磁波，我将看到什么呢？一个静止的电磁波吗？也就是看到一个虽然在振荡的电磁场，但是它却不会交替感应下去吗？

哦，不，这显然违背了麦克斯韦的方程组，虽然我在以光速飞行，不论是我自己用发生装置发出一个电磁波还是我飞过一个电磁波发生装置，我看到的电磁波都应该是相同的，因为介质没有变。我将看到一个振荡中的电场能够产生振荡的磁场，而一个振荡中的磁场又能够产生振荡的电场，这个交替反应绝不会停下来。

再想象一下报数的情况，如果我和这队报数的人都在一节火车车厢中，火车高速行驶，但是我并不能感觉到火车是静止的还是运动着的，我会看到报数人的反应速度提高了吗？这也显然很荒谬，火车跑得再快也应该跟报数人的反应速度无关，我应该仍然看到它们以同样的反应速度传递着“一、二、三……”才对啊。

这么说来，光速应该相对于任何参照系来说，都是恒定不变的。

想到这里，爱因斯坦手上纸烟的烟灰掉落在地上，瞬间碎成一片。爱因斯坦从沉思中回过神来，对刚才的思考感到满意，他想这个问题已经不止一天两天了。他拿起笔在草稿纸上写下一句话：对于任何参考系来说，光在真空中的传播速度恒定。

爱因斯坦的思考并没有停下来，他接着想：

如果说，光速真的相对于任何参照系来说，都是恒定不变的。那么，假如未来某天，发生了这样一起案件。

在一列亚光速疾驰的火车上，有两个人站在车厢的两头进行决斗。他们的决斗规则是这样：在俩人的正中间有一盏信号灯，灯亮就是拔枪信号，生死由命，看谁枪快。当然，俩人的枪是一模一样的。

现在，我想请你思考：这个决斗规则是公平的吗？

你看，公不公平是不是取决于下面两个关键点：

站在车头和车尾，手枪射出的子弹，相对于俩人的速度是否完全相同？他们俩人是不是同时看到灯亮？

对于第一点，有些人可能会认为，站在车尾方向的人占便宜，因为手枪子弹是顺着火车运动方向飞行，那么，子弹的飞行速度要加上车速。而站在车头方向的人，则刚好相反，手枪子弹逆着火车运动方向飞行，那么子弹的飞行速度要减去车速。

如果你也这么想，那就是初中物理还给老师了。正确的思路是，运动都是相对的。如果以地面为参照物，那车头方向和车尾方向射出的子弹，相对于地面的速度确实是不同的。可是，在这个案件中，我们要考虑的显然是子弹相对于决斗双方的速度。这时候，因为决斗双方也在随着火车一起运动，因此，当我们把火车的窗帘全部拉上，站在车里面看俩人决斗，那就跟站在静止的车厢中看俩人决斗是没有区别的，子弹相对于决斗双方的运动速度并不会发生改变。

所以，是不是公平的第一条，也就是子弹的飞行速度，对双方而言，当然是公平的。

关键问题是第二条，他们俩人是不是同时看到灯亮呢？

爱因斯坦经过一番认真的思考和推敲，他竟然发现了一件极其诡异的事情。

爱因斯坦发现，如果有人站在车厢中观察，会认为他们俩是同时看到灯亮，决斗规则是公平的。但如果有人站在车外观察，则会认为他们俩不是同时看到灯亮，决斗规则是不公平的。是不是同时，取决于所选取的参考系。

这就是爱因斯坦在 1905 年石破天惊的一次思考，他得出的这个思考结果彻底冲破了牛顿建立的经典时间观，也是人们对时间的最朴素感受。当我们在日常生活中说某人和某人同时做某事的时候，那就是表示这俩人是绝对的同时，时间是脱离空间和物质的永恒存在，同时就是同时，这个概念本身没什么可争议的。

现在，爱因斯坦发现，同时不是绝对的，同时是相对的，我们这个宇宙中，不存在绝对的同时。

当然，爱因斯坦的思考并没有就此停止，他接着又设想了一个诡异的情形。

假如，想象我在宇宙中开着一艘非常接近光速的飞船，当我开启飞船船头大灯时，站在飞船上的我会看到这束光正以 30 万千米每秒的速度远离自己而去。但诡异的是，假如这时候有人在地面拿着望远镜看我的飞船，他应该会看到什么景象呢？也是飞船上的光以 30 万千米每秒的速度远离飞船呢？还是说，他会看到飞船和飞船射出的光几乎齐头并进，慢慢拉开距离呢？

请想一想，出现什么样的情形才是合理的。因为光速相对于地面上的观察者而言，也是 30 万千米每秒的速度，而飞船相对于地面的飞行速度非常接近光速，因此，地面上的观察者，应当会看到飞船和飞船射出的光慢慢拉开距离。

请大家跟上我的思路，想一想，这不是一件非常矛盾的事情吗？站在飞船上的人，看到的是眼前的光嗖的一下就跑到宇宙深处了。但站在地面上的观察者，看到的却是飞船上的光和飞船慢慢拉开距离。

爱因斯坦想来想去，要解决这个矛盾，唯一的方案就是：飞船上的时间和地面上的时间流逝速度是不同的。用最通俗的一句话来说，那就是，飞船一秒钟可以等于地面一小时。只要我们打破时间绝对流逝、永恒不变的朴素观念，就能自然而然地理解这个思想实验中的矛盾了。看似矛盾，其实并不矛盾。

这就是爱因斯坦为人类重新建立的相对论时空观，在它刚诞生的时候，遭到了无数的质疑和反对，但是，现在，它已经是被写入我们高中物理教科书中的常识，尽管这个常识一点儿也都不符合我们的日常感知。但它是对的，它已经被科学家们千百次地验证过。

如果听到这里，你发现自己的时间观念原来停留在牛顿时代，那么恭喜你，从这一刻开始，你进入到了爱因斯坦时代。

但爱因斯坦的时间观就是最新最好的了吗？当然不是，当人类进入到探索微观世界的量子物理学时代后，我们对什么是时间，又产生更多终极思考。

4 量子物理时代

当人类文明的纪元进入到二十世纪之后，在一大群天才物理学家的努力下，人类终于敲开了微观世界的大门，无数新奇而又美丽的风景展现在我们眼前。

二十世纪最初的五、六十年被称为人类物理学的黄金时代，我们开始探索隐藏在物质最深处的奥秘。概括来说，物理学家们发现，物质和能量不是无限可分的，它们都有一个最小的基本单位。这个世界上的一切物质，都是由不可再分的基本粒子构成的。这些基本粒子的微小尺度令人感到不可思议，但在数学上，它们就是有一个最小尺度的。而我们在宏观世界看到的一切，都是无数个基本粒子互相作用下的一种涌现。

这里，我要跟你讲解一下物理学中的这个术语——涌现。这个词现在越来越多地出现在各种物理学研究和最新的科普文章中，涌现是非常迷人的一种现象。

比如说，你可能在生活中或者电视中见过鱼群和鸟群。我们盯着鱼群中的某一条具体的鱼观察时，我们会发现，它的运动非常杂乱无章，似乎是完全随机的。但是，当我们把视角扩大到整个鱼群时，我们会发现鱼群的整体运动是另一番景象，整个鱼群就像是一个单一的有生命的个体，它们会躲避障碍，做规律的几何运动等等。这就是一种涌现，也就是说，单个物体的运动模式和整体的运动模式非常不同。

刚才举的这个例子是一个宏观上的例子，你可能比较容易理解。我再来举一个不是那么好理解的例子。我们知道，水是由无数个水分子组成的。当水流的流速达到某个临界点时，水流会突然从有规律的层流转变成看似毫无规律的湍流。我们在小溪中，会经常看到水流经过某一块石头后，就转变成白花花的一片。在这片白花花的水浪中，大漩涡套着小漩涡，水流的运动变得复杂多变。这也是一种涌现。

再比如，一杯水从液态转变成固态或者气态，也是在某个临界点之后突然转变的，这也是一种涌现。更有意思的是，人类的意识也是一种涌现。我们的大脑皮层中有几百亿个神经元，如果我们单独观察其中的每个神经元，我们不可能观察到意识，但这几百亿个神经元聚集在一起，相互作用时，人就产生了智慧和意识，这也是一种涌现。

总之，涌现在这个宇宙中无处不在，当物理学家们仔细去观察宇宙中的各种现象时，他们发现，所有的宏观现象，似乎都是基本粒子随机运动的一种涌现。

总结来说，涌现的核心特征是：复杂系统中的整体行为和性质无法仅仅通过分析单个组成部分来预测。通过局部部分的相互作用，宏观系统产生了新的特性。这些特性只有在系统整体的尺度上才能观察到，且往往具有非线性、不可预测的性质。

现代的物理学家正在追问一个问题：时间会不会也是一种涌现呢？

爱因斯坦认为，时间是一个维度，它和空间维度一起，构成了我们生活的四维时空。换句话说，在相对论的理论框架中，时间被认为是宇宙结构的一部分，是最基本的结构，时间就是时间，你没有办法继续追问：时间是由什么组成的？

我打个比方，在十九世纪，人们发现万物皆原子，任何物质都是由不同性质的原子构成的，而世界上的原子种类并不多，也就 100 多种。但是，进入到二十世纪后，物理学家们就开始问：原子是由什么组成的？现在我们知道，原子可以拆分为原子核和电子，原子核又可以拆分为质子和中子，质子还可以继续由六种不同的夸克组成。你看，随着人类科学的进步，对物质世界的不断探索，我们逐步发现原子不是基本结构，原子核也不是，质子也不是。

同样的道理，现在，理论物理学家们又开始追问：时间就是基本结构了吗？时间会不会是一些更基本的结构的涌现呢？例如，在量子引力理论和弦理论的框架下，时空的结构可能在极小的尺度上并不是连续的，而是离散的。在这些理论中，时间不再被认为是一个基本的、独立的维度，而是从更基本的结构中涌现出来的。时间可能在极微观的尺度上并不存在，而是由一些更加基本的物理过程，很可能是像量子纠缠这样的相互作用所涌现出来的。