地球演化历程时间轴

二、相对论与时间标准

在爱因斯坦之前，人们认为时间是与人无关的绝对存在，是上帝创造的。爱因斯坦研究时间问题，发现了同时性的相对性，这就是他的著名的相对论。

1.相对论的实质是关于事物运动过程各不相同的理论。

相对论是关于时间和空间的理论，标志着现代物理学的新起点。相对论改变了时间标准，把时间从地球运动标准提高到光速运动标准，其实质是关于事物运动过程各不相同的理论。

爱因斯坦是在研究光波时发现相对论的。在19世纪，人们被一种“以太”的理论所左右。科学家们认为，我们所看到的似乎什么也没有的空间里，充满着一种叫“以太”的物质，它就像水一样，你不动，它就静止得出奇，使我们感觉不到它的存在。但它又能穿透一切物体，还不影响物体的运动。光是“以太”的特殊状态。就像水波动会产生水波一样，“以太”的波动会产生光波和光波的传递。

这样的理论有一个基本的假设：空间是“绝对静止”的，只有在绝对静止的空间里，“以太”才绝对静止。就像水池里的水，如果不用外力打破它的平静，就不会产生水波一样，如果没有外力打破空间的宁静，“以太”就不会产生光波。

当时的大科学家牛顿相信“以太”理论。与“绝对空间”相联系，牛顿认为时间也是绝对的。他说：“绝对的、真正的数学时间自身在流逝着，它的本性是均匀的。它的流逝同任何外界事物无关。”^[1]

既然有了“绝对空间”和“绝对时间”，就必然有“绝对运动，”牛顿为“运动”下的定义就是“物体从一绝对地点转移到另一绝对地点。”^[2]

“绝对空间”“绝对时间”“绝对运动”构成了牛顿力学的支点。“绝对”是什么意思？就是它原本是上帝创造的，绝对时间就是上帝造了一个极其标准的时钟，因而人们在地球上的任何一个地点感受到的时间都相同。因为它是上帝创造的，不受其他事物的影响而变化。所以你不用去想它为什么存在，只要依据它的存在进行其他研究就行了。

但是，人类偏偏就是在追问为什么和解答为什么中进步的。随着人们的研究手段越来越先进，对高速运动物体的研究逐步加深，使人们对“以太”理论的怀疑越来越多。有人提出疑问：如果我们乘船高速在平静的湖水中行驶，会感到水“哗哗”地从船旁流过，可是，地球以每秒29.79千米的速度绕太阳公转，其他星球的运动速度都很快，为什么人们感觉不到这些运动的物体在“绝对空间”里由撞击引起的“以太风”？^[3]

在长期思考了这个问题后人们逐步认识到，高速天体之所以不能撞出“以太风”，不会有其他的原因，只能说明“以太”不存在。后来，美国物理学家麦克尔逊以实验证明，光不是“以太”产生的，麦克尔逊的实验为否定“以太”学说提供了直接证据。既然光波不是“以太”产生的，“以太”普遍存在的说法可能是错误的。于是，更多的人抛开固有观念的束缚，大胆思考一些基础理论问题。奥地利物理学家马赫于1883年出版了《力学及其发展的批判历史概论》一书，批判了牛顿力学绝对时间、绝对空间和绝对运动的观念。爱因斯坦在一些科学家对牛顿力学怀疑批判的基础上，进一步思考了时间是否是绝对的问题。经过长期的思考和研究，爱因斯坦发表了相对论，在时间是相对的基础上，进行了一系列的科学原理构建。尽管爱因斯坦认为马赫是相对论的启蒙者，但马赫本人不承认自己是相对论的先驱。

如果不刻意从专用术语和研究方面理解，只从一般人日常生活方面去理解，爱因斯坦的相对时间概念也不深奥：

在日常生活中，人们所说的“同时”是相对的。由于时间是由人感知的，一个人如何感知不同地点发生的事情是“同时”的？例如，当你在北京看到了一起车祸发生的时候，你怎么知道离你很远的纽约也“同时”发生了一起车祸？除非有一个无限大速度的信号告诉你这两件事是同时的，可连最快的光速传播也需要时间，那么，所谓“同时”，又从何说起呢？

人们对时间是用某种事物的运动速度表达的，如果计时工具的运动速度不相同，其表达的不同事情的发生时间就是相对的。例如，如果在北京用滴水计时的方法即以水滴的运动过程计时，看到车祸发生的时间是午时三刻，而在纽约的人采用的是标杆看日影的方法，即以日影运动过程计时，看到车祸发生的时间也是午时三刻，这两个午时三刻一致吗？肯定不一致，因为水滴的运动过程与日影的运动过程会有误差。

处于不同运动中的两个人看到的某一现象发生的时间是相对的。例如，我们在地球上，地球在运动，如果我们采用地球上的计时方法看到太阳发生耀斑，根据太阳与地球的距离，根据光速，我们可以计算出太阳耀斑发生的时间是在15时30分。但是，一个与地球和太阳都有一定距离的一个另外运动着的星球上的人是否也看到太阳耀斑发生在15时30分？

有人认为，我们现在不是以格林威治天文台发布的时间为标准，来确定地球上“同时”发生的事情吗？格林威治天文台所测定的时间，不就是绝对时间吗？其实，格林威治天文台发布的时间也是相对的，这个时间标准是以人们对地球运动的均等化认识为基础制定的。例如在北京发生的车祸和在纽约发生的车祸如果都以它为标准，似乎是有绝对的同时性，但事实是它们之间还是有差别的。因为人们采用的计时工具——钟表的准确度有差别，比如相差百万分之一秒。准确度有差别就是钟表的运动速度和地球的运动速度有差别，所以，人们不能确定它们是不是绝对同时的，而只能确定它们的同时是相对的。

爱因斯坦的相对论的意义在于：打破了“以太”学说对人的束缚，解放了人的思想，使人产生了新的观念，引起了科学的革命。由于时间与运动密切相关，时间是相对的，运动也必然是相对的，所以，相对论的实质是揭示了事物运动过程的相对性。例如，在平稳运动着的轮船上打乒乓球与在地面上打乒乓球一样，你感觉不到乒乓球在运动，但实际上它处在运动中。为什么人感觉不到乒乓球在运动？是因为我们所说的运动是指船与海岸的相互关系、相互距离，而不是指乒乓球与船的相互关系、相互距离。可以说，相对论是爱因斯坦跳出地球看世界的产物，也是科学研究发展的产物，是在对前人知识继承的基础上的新发现。在日常生活中，人们往往不需要特别精确的时间，所以牛顿力学揭示的是地球人日常生活中的现象和规律，而相对论则揭示了高速物理运动的关系和规律。爱因斯坦虽然是在否定牛顿力学绝对时间的基础上推进了科学的发展，但他并没有抛弃牛顿力学，他是在继承中发展。他研究了与时间相联系的物质高速运动过程，并有了一些重大发现，这些发现使他从伯尔尼专利局的一个小职员成为开创了现代物理学先河的伟大科学家之一。

爱因斯坦在对前人知识的继承中，在对所谓权威理论的怀疑中发现了相对性原理，我们现在进行科学研究，也应该以爱因斯坦的态度来看待前人的理论，既要在肯定中继承，又要在怀疑中发展。否则，我们将陷入某些误区不能自拔而束缚自己的手脚。对于经过实践检验的正确理论，应该继承；对于经过实践检验被证明是错误的理论，应该抛弃；对于一些没有经过实践检验的理论，应该进行再思考。对于爱因斯坦的理论也应采取同样的态度，不应在爱因斯坦的发现前停滞。例如“双生子佯谬”问题就是根据相对论推论出的错误结论：一个坐飞船高速运动的双胞胎哥哥，在绕地球飞行几圈后，会比在地面上不动的双胞胎弟弟年轻。事实是现在我们的飞船已经上天了，但我们却没有看到坐飞船上天的人在天上过了一日，地上的人已过了几年的现象。再比如，光速不可超越的断定已被实验所否定。还有关于黑洞理论、宇宙大爆炸理论、时间膨胀推测、空间收缩断言、引力红移理论等等，我们可以假设这些理论是正确的，依这些理论的提示进行研究，但绝不能迷信这些理论。如果对这些东西过于迷信，则可能会影响科学的发展。

2.光速时间标准与传统时间标准的关系。

在时间问题上，爱因斯坦的相对论对我们的启示是：

第一，时间本身的标准可以随事物发展过程的快慢而变化。我们从相对论，知道了时间随运动变化而变动，而运动就是事物变化的过程。事物运动的过程有快也有慢，有长也有短。如果选择一种具体运动过程作为标准，它就可以成为新时间标准。

例如，当我们以铯原子跃迁9，192，631，770周（即铯原子运动变化的过程）为1秒时，我们就是采用了时间新标准。2006年新年的第1个早晨，就出现了7时59分59秒、7时59分60秒的奇特现象（2008年又出现了这一现象），这增加的一秒叫“闰秒”。为什么会出现“闰秒”？就是因为对时间采用了双重标准——原来是以地球运动的抽象均等化作标准，这个标准被称为世界时，人们用世界时衡量事物过程的快慢长短。现在又采用了铯原子的跃迁速率作为衡量事物过程快慢长短的标准，这个标准被称为原子时，世界时和原子时出现了误差。^[4]由于地球运动的速度在不断变慢，所以世界时总是慢于原子时。为了使二者一致，人们采用了闰秒的办法。采用闰秒的办法计时，称为协调世界时。协调世界时是从1972年1月1日起在全世界实行的。将来如果我们以光的速度作为新的时间标准，我们可以造出光子钟。如果把新的光子钟用于高能高速物理学领域和其他领域的研究，相信会有更多的发现。

第二，衡量普遍事物过程发展程度的标准是可以改变的。爱因斯坦的时间相对性原理，是以光速每秒30万千米（更精确的数字为每秒29.9792458万千米，这里采用人们常用的数字）不变为前提的，他寻找到了一个万事万物新的过程发展衡量标准——光速。这就打破了人们几千年来关于地球自转、公转过程的抽象均等化标准。

光速时间标准和传统时间标准的关系是：光速每秒为30万千米，地球公转的速度是每秒29.79千米，光的运动速度是地球运动速度的

传统时间是每小时3600秒。如果以运动过程的长短为时间标准，则光每秒的运动过程是的地球运动过程。也就是说，光速时间每秒约等于地球运动时间的2.797小时。也可以这样说，地球时间已经过了2.797小时，光速时间才经过了1秒，光速时间变慢了。

第三，不论衡量事物发展过程的标准怎么变化，这个标准的依据都是事物的客观过程。我们的传统时间观念是以地球运动过程为依据的，相对论的时间观念是以光速为依据的。所以，时间是人对客观过程的一种认识。

传统的时间观念加进了主观因素，认为时间是绝对的，不会变化，我们用这种不变的时间，作为衡量其他事物过程的快慢长短的标准。例如，速度=距离÷时间，速度就是其他物体运动的快或慢；距离=时间×速度，距离就是物体运动过程的长或短。这种快慢长短是抽象，本身不是物质，但它是依据事物的客观运动过程抽出的，不是凭空想象。