我們親自來做一個實驗,單看如何穿越未來。
這是最典型、最清晰的“光子鍾”實驗,幾乎所有相對論科普著作都要舉這個案例。實驗是要用一個沒有爭議的、絕對標準的時鍾,來檢驗時間流逝的變化。機械表、電子表、石英表、沙漏、日晷,要麼不大可靠,要麼情況複雜。我們可以借用光的奇異特性,打造一個絕對標準時鍾。
我們已經知道,光,具有一種極其重要而莫名其妙的特性:它總是以每秒30萬千米飛馳。還有更為邪門兒的事情:它在宇宙中不依賴任何參照係,任何情況下都是這個速度。什麼意思呢?——如果你乘坐一艘接近光速的飛船與一束光賽跑,在地麵的人看來,你與光束並駕齊驅,速度相差無幾。但你從飛船舷窗看出去,情況卻大不一樣,你看見光束依然以每秒30萬千米的速度揚長而去。敬告讀者,沒有人發生錯覺。你和地麵上的人各自用精密儀器測量,結果也是這樣。原因嘛,絕對匪夷所思,那是因為高速飛行的你,所處的時空環境發生了變化。對此,我必須嚴重提醒讀者,這個特性,幾乎就是導致相對論這朵奇葩發芽開花的種子。
強調一下,光速恒定。這是決定性的,一切奇妙始於此。以下的推論,如果任何時候你覺得不可思議了,趕緊回頭來檢查這個古怪的前提條件。提前作個告示:實驗已經非常簡明,理解相對論還很辛苦,勞駕讀者略作心態調整,把輕鬆瀏覽轉變為仔細思考。
(1)準備標準時鍾。該鍾構造簡明:一粒光子、上下兩塊固定好的板子,光子在兩塊板子中間來回蹦跳,鍾有了。由於光速恒定、兩塊板子間距(比如15厘米)特定,該鍾絕對精確,特定的蹦跳次數(亦即10億次)就是1秒。而且,永遠是每秒蹦跳10億個來回。確認完畢。為了實驗,準備兩個。
(2)我抱著其中一個光子時鍾,搬到火車上去。火車奔馳起來(必須勻速直線運動,要是叮鈴哐啷亂動,情況就複雜了)之後,把鍾打開,我看到什麼?——一切照常。光子在兩塊板子之間,垂直方向,一上一下,旁若無人歡快蹦跳。當然,還是每秒10億次。我確認。
(3)你抱著另外一個光子鍾,呆在站台觀察。為了避免火車呼嘯而過以至於看不清楚,我們可以設定火車以蝸牛速度慢慢開行。小心點,你看到什麼?——光子鍾在移動。廢話,火車上的一切都在運動,那是慣性。是的,問題來了:光子也在移動,除了上下蹦跳,它事實上還在往前移動。那麼,雖然我看見光子隻是上下蹦跳,而在你看來,光子斜著向前、向上蹦,然後斜著向前、向下蹦。也就是說,光子是波浪式蹦跳,蛙跳。難道不是?
(4)檢討這事的嚴重後果。既然兩塊板子間距沒變,光子進行蛙跳,必然比垂直蹦跳事實上移動了更多距離,對不對?這就頭疼了。接下來我建議你此時咬牙挺住,堅持理性。你發現,你的光子在垂直蹦跳,我的光子在前後蛙跳,由於光速恒定,光子移動越遠、耗時越長,那麼結果是什麼?——你親眼看到,我的鍾慢了!
(5)有一種強烈的被忽悠了的感覺。根據慣性定律,我的鍾在勻速直線運動的車上,不會受到任何影響。不管有沒有人在站台觀察,我的鍾就是每秒蹦跳10億次。因此我確信時間正常,不快不慢。那是不是說,車上的光子鍾為了保持精準時鍾的尊嚴,它會主動加快步伐,抵消火車的運動呢?——太扯了,要是火車忽快忽慢,時鍾豈不要抽風打擺子!當然不會,因為光速任何情況下保持恒定。事實上不僅光子鍾,任何鍾表都沒有安裝運動速度感應器,也沒有配套的指針速度矯正器,它們照樣精確可信。
(6)重新捋一遍。你在站台,一切如常。我在車上,情況貌似變了。我們展開討論:第一,車上的鍾,光子蹦跳10億次,實際移動距離肯定超過30萬千米,這是必須確定的事實。而因光速恒定,它1秒鍾堅決隻移動30萬千米,這也是鐵打的事實。第二,那麼,我們不得不承認,對於運動著的鍾來說,光子蹦跳10億次耗時必然超過1秒。可是,光子鍾任何情況下都將每秒蹦跳10億次,它沒有理由要作出讓步。矛盾了,怎麼辦?第三,相對論發現,都是對的,時間錯了,不,是時間糊塗了。運動著的光子鍾,它的每1秒還是1秒,但比靜止光子鍾的每1秒漫長一些。——老天爺,時間分裂。