时间膨胀既真实又不真实：爱因斯坦为何两边都对

导语

运动和重力会让钟表以不同速度走动，这一点已经被实验和 GPS 反复验证；但爱因斯坦又曾把某些时间膨胀称为表象。文章借这组看似矛盾的说法，区分可测量的物理效应与依赖参照系的描述。

正文

时间又是什么？专栏作家卡梅拉·帕达维奇-卡拉汉通过探索我们所掌握的时间膨胀既是一种物理现象也是一种心理现象的证据来回答这个令人费解的问题

时间膨胀是真的吗？这取决于“真实”的含义 Tetra Images/Getty Images

时间的流逝常常看起来是世界上最具可塑性的事情。当你在健身课上被要求保持平板支撑时，一分钟可能会感觉很长，而当你与朋友聊天时，一小时可能会过得很快。在这些情况下，你对时间的感知会改变。但真实的物理时间膨胀也会发生。根据阿尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论，距离地球重心较近的时钟（例如海平面上的时钟）比山顶上的时钟走得更慢。当时钟的物理运行速度极快时，也会出现类似的减慢现象。

不可否认，这听起来很奇怪，但数十年的实验未能成功证明这一点。然而，自 1905 年爱因斯坦首次提出其理论以来，时间膨胀到底在什么意义上是真实的——以及物理效应真实意味着什么——一直激发着哲学辩论。

事实上，六月，在加利福尼亚州欧文市举行的物理学基础会议上，我听到 Marco Giovanelli 讨论了时间膨胀如何既真实又明显。这听起来很矛盾，但当我打电话给意大利都灵大学哲学和科学历史学家乔瓦内利进行讨论时，我开始明白，它反映了爱因斯坦的著作首次揭示的我们物质世界的各个方面。

乔瓦内利解释说，对于爱因斯坦来说，一切都与杆和钟有关。假设您和一个朋友都有一个相同的时钟和一根一米长的杆。你站着不动，而你的朋友则进入一艘速度极快的宇宙飞船并开始旅程。与你的相比，他们的时钟走得更慢，他们的杆的尺寸也会缩小。如果你想知道到底有多少，爱因斯坦会为你提供支持：他在一个多世纪前就完成了这些计算。如果你碰巧有第二个朋友，他有一艘稍慢的宇宙飞船和他们自己的时钟和杆组，同样的技巧将再次发挥作用，只是他们的时钟会变慢，并且他们的杆收缩比你更快的朋友少一点。最后，如果你还获得了一艘宇宙飞船并追上了你的任何一个朋友，你的时钟将再次开始以相同的速度滴答作响，你的一米长的杆将再次看起来相同的长度。

为了讨论这些效应，物理学家使用“惯性系”的语言。类似于将静止的房间或静止的框架与匀速行驶的宇宙飞船或移动的框架进行比较。在您的个人框架中，您和您的朋友可以各自建立一个坐标系，即熟悉的宽度、深度和高度网格。当你们都静止时或者当你们的宇宙飞船以相同的速度并排移动时，你们的坐标系将会匹配。

然而，当你们中的一个移动得更快时，狭义相对论表明他们的网格会变形，沿运动方向收缩。正是这个细节困扰了爱因斯坦的同时代人。杆长度的变化似乎与用于定位它的坐标系的变化令人不安地交织在一起。但批评者认为，作为坐标系函数的效应不可能是真实的。最终，坐标系本身的真实性是可疑的。它们似乎只是我们人类创造的工具，帮助我们组织对物理世界的理论和观察。

1911年，物理学家弗拉基米尔·瓦里雅克（Vladimir Vari膰ak）认为，杆的长度收缩“只是一个心理事实，而不是一个物理事实，即。 e. ，身体并没有真正发生什么变化”？乔瓦内利讲述了另一件轶事，在 20 世纪 70 年代，物理学家约翰·斯图尔特·贝尔 (John Stewart Bell) 对欧洲核子研究组织 (CERN) 粒子物理实验室的同事进行了一项调查，研究长度收缩是否会破坏悬挂在以完全相同的速度加速的两艘宇宙飞船之间的线。大多数物理学家表示，线不会断裂，他们赞同线中的原子没有发生任何物理变化的观点。他们有可能错了吗？这让我头晕目眩。

我承认我一直是相对论的一个相当糟糕的学生，只是把它学得足够好，可以通过研究生院的初步考试。然而，我确信我之前就被教导过，相对论性的时间膨胀和长度收缩毫无疑问是真实的。根据日常生活的经验，我们知道它们是这样的。 GPS 卫星上的精确时钟的运行速度与地球上的时钟不同。部分原因是它们移动得很快，部分原因是爱因斯坦在广义相对论中解释了引力效应。为了使 GPS 准确，必须纠正刻度差异。如果不这样做，将会产生非常现实的后果，比如当我尝试使用手机去一家新咖啡馆或书店时，最终会进入某人的后院。但关键的一点是：GPS 卫星上的时钟的精度来自于对原子的量子控制，而不是一些宏观的时钟齿轮，因此，认为时间膨胀对原子没有任何影响，这感觉特别令人震惊。

乔瓦内利告诉我，爱因斯坦本人也在思考这个问题。事实上，原子效应是 1906 年他与物理学家约翰内斯·斯塔克 (Johannes Stark) 辩论的核心。约翰内斯·斯塔克因发现电磁场如何影响原子的能量状态而获得诺贝尔奖。斯塔克正在研究快速移动的带电原子，爱因斯坦认识到这些实验可能会显示横向多普勒效应——就像警报器在接近你时由于声波频率的变化而改变音调一样，由于时间膨胀也会发生类似的效应。乔瓦内利说，这是狭义相对论的独特预测，这种效应在其他理论中并不存在。

阿尔伯特·爱因斯坦捍卫了他的理论对时间膨胀的影响

对于标准的多普勒效应，您知道您可以通过追随警车来抵消它，并且所发生的情况并不是由于汽车扬声器内部发生了变化。对于横向多普勒效应，同样的问题也出现了。 “斯塔克确实天真但自然地认为，原子中正在发生一些事情，”吉奥瓦内利说，“在我们的类比中，汽车中的扬声器将会发生物理变化。爱因斯坦拒绝了这一点。他假设所有原子保持不变，并且它们的内部运作不受运动的影响。时间膨胀是唯一的解释。看似显而易见，但这里面临的是真实的、实证的检验。

讽刺的是，当横向多普勒效应在1938年被实验验证时，参与其中的两名物理学家之一是赫伯特·艾夫斯，他从未接受狭义相对论。艾夫斯认为他已经找到了“发光以太”的特征？一些研究人员认为一种假设的物质渗透到宇宙中，并提供了一个首选的真实参考系。大量其他实验证据（其中大部分甚至在艾夫斯工作之前就获得了）完全排除了这种选择，狭义相对论成为城里唯一的游戏。尽管人们对与观察者视角相关的效应的奇怪性提出了异议，许多物理学家都想驳斥这一观点，但时间膨胀经受住了时间的考验。在接下来的几十年里，越来越精确的原子钟从未发现任何证据表明可能发生更“真实”的事情。

对乔瓦内利来说，所发生的与其说是物理学上的争论，不如说是物理学与哲学之间的磨合。在时间膨胀是否真实这一棘手问题的背后，隐藏着另一个甚至更棘手的哲学问题：真实意味着什么？

“在某种程度上，你无法避免它，”乔瓦内利说。 ”因此，爱因斯坦被迫从哲学上解决这个问题。好吧，实际上，让我们定义一下：“明显”意味着对于共同移动的观察者来说消失，“真实”意味着可以根据经验进行检验。 “从某种意义上说，情况不应该变得那么复杂，”他说。科学理论提供了可检验的假设——这就是它们的设计目的——而狭义相对论已经通过了我们对其进行的每一项检验。从理论中你还能要求什么呢？

乔瓦内利说，从直观的角度来看，这很难理解。爱因斯坦甚至有他自己的问题，主要是关于他如何确定两个时钟或用作时钟的两个原子可以可靠地相同。量子物理学的出现提供了一些保证，但爱因斯坦对量子理论心存疑虑，并花时间担心它远远超出了它如何应用于棒和时钟。但乔瓦内利说，他从未质疑时间膨胀和长度收缩的经验现实。

当我们交谈时，我想知道对我来说，是否像爱因斯坦的批评者一样，是因为我明显缺乏相对论直觉，才使得时间膨胀如此难以理解。人们可能更容易接受这样的观点：当时钟或一根杆内的原子以一定的速度移动时，一些未知的机制会物理地改变它们，导致时间膨胀和长度收缩。相反，我必须努力解决根本不存在绝对时间这样的问题。

然而，作为一名现代物理学的学生，我并不一定会对“透明”和“真实”这两个词之间令人沮丧的对决感到惊讶。我通过与钢笔、橙子和足球等平凡事物的互动获得了对物理对象行为的直觉，而不是任何非常小或寒冷的东西，也不是任何非常快的东西。量子理论支配着所有微小而寒冷的事物，它告诉我，我不能总是期望一个物体的某一件事同时是明确真实的。事实上，量子物体可以以类似于概率云的状态存在，其中包含完全矛盾的选项。绝对的精度和绝对的确定性根本不可能。狭义相对论可能正在给我上一堂关于时间的类似课。

艺术家对恒星形成区域暗伽马射线暴的想象

希格斯玻色子，概念图

思想框架

文章先以狭义和广义相对论中的钟表差异确立时间膨胀的可测量真实性，再回到同时性和参照系解释它为何也带有观察者依赖；实验与工程应用保证预测并非幻觉，而哲学层面的真实则需要区分不变量、坐标描述与具体测量。