但這並不僅僅只是一場旅途異夢。
你的確瞥見了如果自己可以以極快極快的速度運動時宇宙在你眼前呈現的樣貌。科學家們給高速定了一個門檻,越過這個門檻,你剛才所經歷的那些奇怪效應就會顯著地呈現出來,讓人無法忽略,這個門檻被稱為「相對論速度」。你剛才所夢見的一切都符合我們今天已知的從相對論的視角看到的自然法則。
當然,沒有一個人類曾經到達過這樣的速度,但我們周圍的粒子做到過。
事實上,它們一直如此。但在一九〇五年,愛因斯坦提出這些絕妙理論的時候,驗證這些現象並不容易。
事實上,直到狹義相對論發表了六十六年之後,才有兩位美國科學家約瑟夫·哈夫勒(josephhafele)和理查德·基廷(richardkeating)設計了實驗來驗證這種被愛因斯坦預言的奇怪的時間膨脹效應。
我們現在在一九七一年。
哈夫勒和基廷用了三臺原子鐘,這是當時最好的鐘表。這種表一旦互相調準一致後就能夠以相當精確的水準保持同步:幾百萬年的誤差只有十億分之一秒。這真是非常可靠的鐘表。
現在哈夫勒和基廷有了三臺這樣的鐘,並把它們調準同步了。
他們把這三臺原子鐘帶到機場。
他們把一個留在地面,放在機場候機廳裡,給另兩臺鍾在兩個航班上各訂了一個座位。
想象一下飛機上其他乘客看到這一情景的反應就讓我忍俊不禁……不管怎麼說,那兩架飛機起飛了,一架向東飛,另一架向西,各繞地球一圈,最後回到它們出發的機場,三臺原子鐘表再次會合。因為地球本身向東自轉,因此向東與向西飛的飛機在相對於機場的整體速度上有一點點差異。
現在,如果大自然遵循我們的直覺執行,那麼無論飛機怎麼飛,三臺原子鐘應該依然保持同步,對於上帝放在自己床頭櫃上的宇宙標準鐘錶來說,一秒鐘就是一秒鐘,每一秒鐘過去,那根秒針就移動一格。你見過或使用過的所有鐘錶,不管是不是機械的,顯然都是這樣的。就這麼簡單。然而……不對,不是這樣的。大自然才不在乎我們的直覺,碰巧這個關於鐘錶與時間的直覺是錯的。只是我們通常使用的鐘表精度不夠,沒能顯示出這種差別而已。我們的直覺是錯的,而愛因斯坦卻是正確的。
當飛機回到當初的機場時,哈夫勒和基廷發現他們的三臺鍾已不再同步。
向東飛行的飛機上的鐘與放在機場的鐘相比慢了十億分之五十九秒,而往西飛的飛機上的鐘表則快了十億分之二百七十三秒。
如果這三臺原子鐘一直放在一起,需要超過三億年才能自然地產生這樣的誤差。
哈夫勒和基廷認為,差異有著兩個不同的來源。
一是速度,按照愛因斯坦所猜想的狹義相對論:三臺原子鐘之間的相對速度的確能夠造成一些微小——但可測量——的時間膨脹效應。
而第二個來源與速度無關,而是引力,來自愛因斯坦的廣義相對論:就像一個重球滾動在橡皮膜上,球近處的膜變形比遠處的要顯著,愛因斯坦認為,地球對於時空的影響在地球表面比在飛機飛行的高空更顯著,這個高度差別也會造成兩處時間流逝的差異。
這兩種效應相互獨立,哈夫勒和基廷在進行他們的實驗之前就已算出結果。
將兩者相加。
總而言之,愛因斯坦的理論預言與固定在地球表面的鐘相比,往東飛的鐘會慢十億分之六十秒,而往西飛的鐘應該快十億分之二百七十五秒。
實驗證實了他的預測。
上述時間差別或許聽起來微不足道,的確如此,但要注意飛機並沒有飛得很快,地球也不是一個太大的天體。飛得更快和/或離引力更強的物體更近時,時間差異會變得巨大,就像你在夢裡經歷的以接近光速飛行的飛機上所發生的事那樣。
毋庸置疑,哈夫勒和基廷實驗的精度自一九七一年起到現在已被不停提高,以越來越高的確定度證實了這一結論。時空的確意味著它所意味的含義:空間與時間的混合。
在我們的宇宙中,鐘錶的走動速度決定於誰在看:取決於你在哪裡、你身邊有什麼(引力部分)以及你的速度。在二十世紀早期,這一切還非常抽象,在今天,它們已成為實驗事實。我們不得不接受。
在這個我們的宇宙裡,時間與距離不是普適的絕對概念。它們取決於觀察者,取決於是誰在體驗以及誰在觀察。它們都是相對的,否則,光速就無法成為常數,也無法成為極限。
好了,那我們人類又該如何加以應對?它改變了我們的日常生活沒有?