深度长文:时间真的是一种幻觉吗?(超5000字,建议收藏)

百科   2024-11-08 19:14   辽宁  

时间,在我们身边无处不在。但如果要问:时间到底是什么?恐怕没有谁能给出一个让所有人都满意的答案。

而网络上对于时间的定义也越来越玄乎,不少人宣称:科学家早就说过时间是不存在的,时间只是人们的一种错觉或者幻觉。

那么,事实到底是什么呢?时间到底是真实存在的,还是真如网络上所说的“时间只是一种幻觉”?

针对这个问题,我还特意上网查了很多资料,发现确实有科学家说过“时间是幻觉”,虽然不是原话,但基本是这个意思。而说这话的正是大名鼎鼎的爱因斯坦。

爱因斯坦提出了伟大的相对论,而相对论就是以四维时空为背景的,在这个背景下,时间和空间虽然是相对的,但两者都真实存在。如果时间真的是幻觉,也就没有相对论什么事了。爱因斯坦当然不会用“时间是幻觉”来否定自己提出的相对论,不然这不是打自己脸了吗?

那么,真相到底是什么呢?

这需要从爱因斯坦创建相对论之前,还没有成为物理学界大佬时开始说起。爱因斯坦在苏黎世联邦理工学院就读时,曾经结识了一位挚友,一位意大利裔的瑞士工程师,名叫米凯莱贝索

虽然两人学的并不是同一个专业,但相同的爱好让他们很快结下了不解之缘,两人经常在一起看书,讨论物理学,数学还有哲学方面的问题。当时的爱因斯坦还是名不见经传的穷小子,没有外界的关注,他可以和朋友毫无顾忌地畅聊。

在此期间,贝索曾向爱因斯坦推荐了马赫的著作,马赫是一位物理学家和哲学家,他提出了自己全新的世界观,否定了牛顿的绝对时空观,认为像空间这样的物质属性并不是人类能客观感受到的,只能通过函数逻辑才能找到真正的规律。

马赫的思想让爱因斯坦受到了极大启发,也为后来爱因斯坦创建相对论的过程中提供了灵感。所以在爱因斯坦心里,一直把马赫尊称为相对论的“先驱”

就这样,爱因斯坦与贝索即便毕业之后也一直保持着联系,甚至到了晚年,两人仍在通过书信联系,可见两人的关系有多密切。

时间来到1955年,81岁的贝索走到了生命的尽头,爱因斯坦对于贝索的离世感到非常悲痛。于是他给贝索的妹妹写了一封信,信中说道:

贝索先我一步离开了这个世界,但这并没有什么,我们两人对物理学都抱有坚定的信念。如今贝索已成为过去,但我认为所谓的过去,现在和将来并没有太大区别,因为时间只不过是人类的一种顽固幻觉罢了。

或许正是爱因斯坦的这种说法,被很多人解读为“科学家否定时间存在”。但事实真的如此吗?爱因斯坦想表达的到底是“时间只是幻觉”,还是对死者贝索的一种悼念呢?

其实,刚才我已经说了,如果你简单了解了爱因斯坦创建相对论的过程,肯定会明白,爱因斯坦所讲的“幻觉”,并不是否定时间的存在,而是尽量用一种通俗的方式向贝索的妹妹传达他眼里的时空观。

爱因斯坦认为,时间并不是射出去的箭,并不是“开弓就没有回头箭”,时间并不是绝对一成不变的,每个人经历的时间其实都是不一样的。理论上只要你的速度足够快,就可以让时间变慢,停止甚至逆转。

从这个角度来讲,去世的贝索其实并没有走得很远,只是爱因斯坦暂时没有办法回到过去罢了。所以,爱因斯坦才会发出感慨:时间是幻觉。如果未来某天,人类科技足够发达,成功研发出了可以回到过去的时间机器,是不是意味着我们就可以拜访已经去世的亲人朋友了呢?

如果真的能实现时间旅行,回到过去,那么死亡就不再那么让人难以割舍。那时候时间在人类眼里不过是一个玩具罢了,可以随机被人类玩弄,而这恰恰是相对论表达出来的事实。

那么,为什么在相对论体系下,时间不再是绝对不变的,而是可快可慢,甚至是可以倒退的一个维度呢?

我们需要穿越到几百年前的牛顿时代,从牛顿时代的时空观开始说起。

在相当长的一段时间里,准确地说,在爱因斯坦创建相对论之前,人们坚信时间是绝对不变的,每个人的时间都是一样的,没有任何其他事物可以影响到时间。在人们眼里,所有的东西都可以是不公平的,但唯独时间除外。时间对于每个人来讲都是公平的,你的一秒与其他人的一秒没有任何区别。

这就是牛顿经典力学体系的基础,绝对时空观

其实牛顿经典力学一个很核心的问题就是关于速度的计算。牛顿经典力学认为,任何速度都是相对的,都需要有参照系才有意义。

关于这点,其实是很好理解的。比如说,我们常说“高速公路上汽车的限速是120公里”,这里的时速120公里就是以地面为参照系,当然这是默认的,我们也没必要刻意强调。

但是由于地球和太阳系甚至整个银河系都在不停地运动当中,如果我们改变参照系,比如说以太阳为参照系,汽车的速度当然会有很大不同。所谓的“坐地日行八万里”就是这个道理。

能够看出,在牛顿经典力学体系下,速度都是相对的,都需要有参照系才有意义。但不管参照系是什么,经历的时间都是一样的。这就是绝对时空观的直接体现,时间不会受任何外界因素影响,永远会均匀地流逝。

而人们对时间的这种绝对性也深信不疑,毕竟这种特性非常符合人们的日常生活经验。

但是,随着电磁理论的不断发展,某些看上去不合常理的东西出现了,让人们隐隐感到牛顿经典力学好像有什么不妥的地方。

而这个不合常理的东西就是:光速。为什么说光速不合常理呢?举个例子就明白了。

假设某个晚上你驾驶一辆小汽车在大街上行驶,汽车的速度为V。我站在街道一旁静止不动。由于晚上视线不太好,你打开车灯。

在你眼里,车灯发出的光的速度是多少呢?按照传统的速度叠加公式,很容易得出结果:仍旧是光速。因为我们肯定会这样认为:你和光一起随着汽车向前运动,你看到的光的速度当然还是光速。

这并没有什么不妥的地方。

但问题就出在我这里。在我眼里,车灯发出的光的速度是多少呢?

按照牛顿经典力学体系下的速度叠加公式,我看到的光的速度应该等于光本身的速度加上汽车的速度,也就是C+V

但事实并非如此,在我眼里,车灯发出的光的速度仍旧保持光速C不变。也就是说光速是绝对的,在任何参照系下都保持不变。

这就奇怪了,在不同的参照系下,观察到的光速竟然是一样的?这明显与牛顿经典力学不相符!

当然,爱因斯坦一开始并没有发现到这个问题,只是后来迈克尔逊和莫雷等人在验证“以太”的实验中,发现了上述现象。

一开始爱因斯坦只是从麦克斯韦方程组推导出来的光速计算公式中,注意到光速竟然是一个常数,因为公式中没有提到任何参照系,光速只与真空的介电常数和磁导率有关,与参照系无关。

这样的结果让当时的物理学界一下就炸了锅。因为如果光速真的与参照系无关,就意味着统治物理学界几百年的牛顿经典力学轰然倒塌,而这是当时的物理学界大佬无论如何都不能接受的,他们早就视牛顿经典力学为“神明”了。

但麦克斯韦也不是吃素的,他创建的麦克斯韦方程组也同样伟大,甚至堪称人类历史上最优美的方程。

怎么办呢?“光速是一个常数”这样的结果,其实已经明显表明了:牛顿经典力学和麦克斯韦方程组必然有一个是错的,到底哪一个错了呢?

这个在我们如今看来如此简单的道理,但放在一百多年前的物理学界却一点也不简单,因为我们是站在“上帝视角”来看到一百多年前的物理学发展,但是当时的物理学界大佬不可能完全摆脱时代的束缚,不可能以绝对理性的思维在牛顿经典力学和麦克斯韦方程组之间抉择。

因为无论是牛顿经典力学错了还是麦克斯韦方程组错了,当时的物理学界大佬都承受不起,所以,他们开始左右逢源,想尽各种办法尽可能协调两者之间的矛盾。

而“以太”的概念就是在这种背景下出现的。通俗理解以太的概念就是,以太是绝对参照系,也是光速的参照系,以太充满了宇宙的每个角落,是绝对静止的,以太这个绝对静止的参照系优于其他任何参照系。

但是问题到这里并没有得到解决,因为以太是假设的概念,科学虽然需要大胆假设,但更需要假设后的求证。

于是,就有了迈克尔逊莫雷等人的实验,但实验结果表明,无论如何测量,最终得到的光速都是不变的,这表明以太并不存在。

实验原理其实并不复杂,由于以太是绝对静止的,而地球一直在围绕太阳公转,相当于地球一直在迎着以太风运动。

迈克尔逊和莫雷就想到一种简单的方法,利用分光镜把一束光分成两束,让两束光朝两个方向垂直传播,然后原路返回。由于以太受到地球影响会有不同的方向,所以两束光传播的速度肯定是不一样的。

但测量结果表明,两束光的光速始终保持不变。迈克尔逊和莫雷两人对实验结果也深表怀疑,怀疑是不是实验过程出现了差错,或者实验仪器不够精确,但反复实验得出的结果仍旧如此。

而之后又有多位物理学家做了类似的实验,结果都是一样:光速就是不变

面对这样的实验结果,物理学界大佬一时不知所措了:如果以太是不存在的,意味着他们必须找其他方法来协调牛顿经典力学和麦克斯韦方程组之间的矛盾。

说到这里,必须强调一下,很多人对迈克尔逊莫雷实验有误解,认为这个实验证明了光是不变。其实不然,这个实验只是证明了以太并不存在,并没有真的证明光速不变

更何况,迈克尔逊和莫雷两人看到实验结果,宁愿怀疑实验过程中出现了纰漏,也不愿意相信实验结果。因为他们明白,如果实验没有任何纰漏,意味着以太不存在,而结果很可能指向牛顿经典力学是错误的,这是他们无论如何都很难接受的。

而明确提出“光速不变原理”的人正是爱因斯坦,也是以这个原理为基本前提,加上“狭义相对性原理”,爱因斯坦创建了伟大的狭义相对论。

爱因斯坦为什么敢“冒天下之大不韪”,果断抛弃以太的概念,提出“光速不变原理”呢?要知道,如果光速是绝对的,意味着牛顿经典力学就是错的。

当然并不仅仅是灵感,更多的还是爱因斯坦对经典物理学,尤其是麦克斯韦方程组的深入研究让他深受启发,加上他颠覆性的思维方式,才最终提出了“光速不变”。

爱因斯坦认为,麦克斯韦方程组推导出来的光速公式,很明显已经指向了“光速不变,光速是绝对的”,同时“以太”又是一个假设概念。

当真实存在的概念与假设的概念发生了矛盾,你会选择哪个?当然是真实存在的概念。在我们看来如此简单的概念,为何其他物理学界大佬不明白了?

不是他们不明白,他们当然明白,只是由于“光速不变”太具颠覆性了,统治物理学界几百年的牛顿经典力学体系下的绝对时空观思想早就在他们的脑海里根深蒂固了,短时间内很难打破这种思维模式。

爱因斯坦提出狭义相对论之后,让我们看到了全新的时空观,也让我们对时间有了全新的认知。

时间并不是绝对的,而是相对的。不仅仅是时间,连空间也是相对的。因为时间和空间是不可分割的整体,两者必须在一起,同时存在。

运动的物体,时间会变慢,同时长度也会缩短。这不过由于我们生活中经历的速度与光速相比太慢了,所以很难直观感受到时间和空间的变化。只有速度非常接近光速时,这种变化才更明显。

说到这里,不得不提到洛伦兹这位伟大的物理学家,他差点代替爱因斯坦提出狭义相对论。洛伦兹其实同样认同了光速不变,只不过他仍旧把时间当做绝对不变的量,也就是说洛伦兹认为以太仍旧存在,任何物体相对以太运动都会出现“尺缩效应”,也就是所谓的“洛伦兹收缩”。

也就是说,洛伦兹仍旧是绝对时空观的拥护者,并没有放弃绝对时空观。他提出的“尺缩效应”其实在效果上与之后爱因斯坦提出的“尺缩效应”是一样的,但两个人的基本前提不一样。

洛伦兹认为,物体相对以太运动导致的“尺缩”,而爱因斯坦认为是速度影响了时间和空间导致了尺缩。

能够看出,洛伦兹距离狭义相对论就差“一层窗户纸”,如果洛伦兹放弃绝对时空观,马上就触摸到狭义相对论了。

按照狭义相对论的诠释,速度越快,时间就越慢。当你的速度无限接近光速,时间就趋于静止。那么如果超过光速了,是否意味着时间就倒流了呢?

我们并不确定,因为爱因斯坦的相对论只适用于低于光速的环境,这意味着相对论是反对超光速的,认为宇宙的速度极限就是光速。

但严格来讲,宇宙并没有限制速度的极限值,把速度极限限制在光速的只是四维时空。这是否意味着如果脱离了四维时空的束缚,我们就可以尽情地超越光速,然后回到过去呢?

或许吧,在我们的四维时空框架下,时间箭头看起来只有一个方向,永远向前。但在可能存在的更高时空维度下,比如说五维度时空,谁能肯定时间就不能是双向的呢?

我想说的是,虽然如今相对论是现代物理学大厦的基石之一,但这并不意味着相对论一定是对的,而且某种意义上讲相对论一定是“错”的,当然这里的“错”我加了引号,大家应该明白什么意思。

就像一百多年前的物理学界大佬们,绝大多数打死都不愿意接受相对时空观,坚守牛顿的绝对时空观,如今的我们或许也经历着同样的事情,紧紧地被爱因斯坦的相对论束缚着。

当然,我并不是说相对论就是错的,相对论诞生至今一百多年了,早就经受住科学家们的无数次质疑和考验了。我想说的是,任何理论都会不断向前发展,因为科学是没有尽头的。

其实爱因斯坦的相对论并不反对时间倒流,只是说相对论受到“光速限制”的严格限制,无法解释时间一旦倒流之后出现的物理底层逻辑到底是什么。

但无论如何,相对论已经肯定了时间确实是存在的,时间一点也不缥缈,更不是幻觉。如今的我们只能感受到时间在不断向前,或许未来某天,人类真的发现了回到过去的方法,然后畅游在时间的长河里,感受过去和未来的奇妙变化!

完!


宇宙探索
探索宇宙和时空的奥妙。
 最新文章