上节课我们说了,当牛顿认为光速变化的时候,那时间和空间就是绝对的。现在我们只要假设光速绝对,那时间和空间就必须变化。
首先我们获得的第一个结论就是同时性是相对的,两个不同运动状态的观察者会对两个事件同时发生的时刻产生分歧,一个认为是同时发生的,而一个会认为是一个先发生,一个后发生;
由于对事件发生的时刻产生了分歧,那自然也会对事件发生的空间位置产生分歧。所以时间和空间不再是绝对的了。
它们会随着观察者运动状态的改变而改变。那么时间和空间如何变化?这就是我们今天的主题:时间膨胀和空间收缩。
我们先说时间。
时间这东西你说它存在吧,但是你又看不见它,更摸不着它,你说它不存在吧,但是我们能真切地感受到时间的流逝。
所以一直以来,我们对时间不好下定义,只能通过外部事物变化的过程来描述时间,或者是测量时间的流逝。
比如,一个生物从出生到衰老的过程,你从家里到公司上班的过程,这个过程就是时间存在,以及流逝的表现。
但是这些过程不稳定,规律性不强,所以不能用来测量时间的流逝,因此我们需要找一些规律性极强,极其稳定的自然过程来测量时间。
人们很快就找到了满足要求的自然过程,比如,地球公转一圈,就是一年,地球自转一圈就是一天,在此基础上我们又把一天划分成了24小时,3600分钟,86400秒。
进而我们对秒也做出了非常精确的定义,即铯-133原子基态的电子在两个超精细结构能级之间跃迁产生辐射的周期的9192631770倍,为一秒。
由于原子现象的规律性更强,按照铯原子钟的计时,每10亿年才会误差1秒。有了对时间准确的测量,我们才能进一步去了解时间。
很早人们就发现时间不仅是在单向流逝(这一点是正确的),而且时间对每位观察者都是公平的,不管你身在何处,处在什么状态,你时间的流逝速度总是和我一样,比如你在银河系外做太空旅行,我站在地球上,虽然你我没有任何联系,但是我会认为,我对一秒的测量结果,和你是完全一样的,你的一秒和我们一秒等长,所以我认为你和我共同经历着同样的时间流逝速度。
但是当爱因斯坦假设出光速不变的时间,那么以上时间流逝同速的想法,就要保不住了。爱因斯坦说,运动状态的时间流速会变慢,也就是我们常听说的时间膨胀,时间流速变慢,就意味着你的一秒不在跟我们的一秒等长,而是你的一秒会大于我的一秒。
这到底是不是真的?回答这个问题很简单,我们只需要对不同运动状态的时间流逝速度进行测量,然后对比就清楚了。
首先我们需要构建一个更为精确的计时装置:光子钟,这个装置非常简单,上下两个镜子,中间有一个光子,在两个镜子之间来回反弹。
现在我们定义光子来回一次为一秒,由于光速不变,两个镜子之间的距离又不变,所以这个光子钟可以说是,世界上最精确的计时装置了,没有之一。