​聊一聊“同时”

聊一聊“同时”

从“同时”这个概念产生的历史过程来说，同时是一个时间概念上的词儿，它的产生跟事件发生的时刻有关。“同时”被用来比较多个事件在时间上发生的先后次序。可以看出“同时”的最重要的功能就是比较。或先或后或同时。可以这么说，找到了判断“同时”的方法就是找到了判断先后的方法。如此一来，如何判断同时就是关键。从历史发展过程看，我们先辈最终采用的是计时的方法。就是用钟表记录时间，然后校准各地时钟，用时钟指针的读数来比较事件的时间顺序。这么看，“同时”是附着于时间概念上的衍生品，不能作为独立的量。

以上论述是在相对论时空观出现前对“同时”概念和意义的解读。姑且称这样的“同时”为传统意义上的同时。

我们会在接下来描述相对论时空观下的“同时”的时候，详细的谈谈“同时”的性质，“同时”的分类，以及如何记录时间，如何校准钟表，最后会谈到一类特殊的“同时”：“现在”。

庞加莱说，不能被测量的量无法进入到物理学，作者深以为是。当我们用钟表准确的记录时间之后，时间就成了一个物理量。“同时”也就应该被严肃的物理学家们认真对待了。

物理学中，时间是事件发生的次序，“同时”是事件发生次序的比较：或先或后或同时。

传统意义上的“同时”是绝对的。它的绝对性依赖于时间的绝对性。“同时”有两个重要的性质：双向性和可传递性。

同时的两个基本性质：

1．如果在B处的钟同在A处的钟同步，那么在A处的钟也就同B处的钟同步。(即双向性)

2．如果在A处的钟既同B处的钟同步，又同C处的钟同步的，那么，B处同C处的两只钟也是相互同步的。（即可传递性）

在狭义相对论中，标准钟的定义为：若一个钟在自己世界线上两点的时间间隔（即读数之差）恒等于这两点的世界线长，则这个钟为标准钟。日常生活中，走时精准的钟表均可近似看做标准钟。（《梁书》（上）137页定义1）观者的固有时就是他的标准钟的读数。惯性观者在本惯性系内的坐标时等于自己的固有时。

走时率是用来衡量钟表走的快慢的量。平常所说钟表的快慢不同，就是走时率不同。标准钟的走时率在出厂前应该调整到一样，而且标准钟的走时率要满足其世界线上任意两点读数之差等于线长。

初始设定就是规定各处标准钟的时间。最简单的办法就是约定同时。以此来作为彼此互动时在时间上的依据。

约定同时是通过比钟和对表来实现的。

比钟和对表是通过技术手段来实现各地钟表的同步。此处的钟表是指完全相同的标准钟。设A和B两点保持相对静止，我们利用光信号来调整这两地的标准钟。一般来说，有两种方法：中点校准法和端点校准法。1.中点校准法：从两个标准钟空间距离的中点通过光信号进行观测。2.端点校准法：异地相对静止两点A和B,当A的标准钟读数为t₁时，从A向B发射一个光信号，设它到达B时，B上标准钟的读数为t₂光信号到达B后立刻向A返回，再次到达A时，A上标准钟的读数为t₃若有t₂=½×(t₁+t₃)，则定义A和B上的标准钟同步，或者称A和B同时。我们定义了相对静止的各点在时间上的同时，即调整各点标准钟到同步。由于各点标准钟的走时率均相同，所以此后各点会一直同时。若两点之间是相对运动的，根据狭义相对论的钟慢效应，对于这两点之中任意一点上的观者来说，两点标准钟的走时率不再相同，所以将无法实现在时刻上一直同时。但是我们可以实现在某个时刻这两点上的标准钟同时。最简单的例子就是当运动中的两点相遇，即在三维空间位置上重合时，我们将两点标准钟调整到同一时刻。这样做的目的是将这一时刻作为初始设定，用来比较两点标准钟的变化。在现代物理学中，我们正是采用以上的方法来约定同时的。通过上文也不难看到这样约定同时有其局限性。同一个观者无法对所有被观者约定同时，在做相对运动的参考系之间，只能约定同地同时，而无法约定异地同时。

同时的分类：1同地同时，同地同时又分为静系同地同时和动系同地同时；2异地同时，异地同时又分为静系异地同时和动系异地同时。

在同地同时中，静系同地同时和动系同地同时，在主流物理学即在相对论中认为是等同的，无需区分。这一观点本文作者保留意见。因为我们会发现在某些情况下同地同时的两者的时刻并不相同。

在异地同时中，动系异地同时无法定义，即无法用比钟对表的方式来约定动系异地同时。

同时性的相对性，参见爱因斯坦的思想实验：雷击火车实验

在爱因斯坦写的相对论科普书籍《狭义与广义相对论浅说》里就提到了雷击火车思想实验。这个思想实验是在承认了狭义相对论的两个基本假设的基础上进行的，两个基本假设是：狭义相对性原理和光速不变原理。引用如下：到目前为止，我们的思考一直参照“铁路路基”这一特定参考物体来进行。我们假设有一列很长的火车，以速度V沿下图所标明的方向在轨道上行驶。火车上的乘客把火车当作刚性参考物体（坐标系）来观察一切事物。因而轨道上发生的每一件事也相对于火车的某一特定地点发生，与相对于路基所做的同时性定义相同，我们也能相对于火车作同时性的定义。但作为一个自然的推论，下面的问题就产生了：两个事件对于铁路路基来说是同时发生的（例如A、B两处闪电），对于火车来说否是也是同时发生的呢，我们将立即做出否定的证明。

A、B两处被闪电击中相对于路基而言是同时的意思是：击中A处和B处的闪电光，在路基A—B的中点M相遇。但A和B也对应于火车上的A点和B点。令M'为行驶中的火车A—B的中点，当闪电发生时，点M'自然与M重合，但是火车上的点M'以速度V向右方移动。如果M'处的乘客并没有随火车移动，那么它就停留在M点，击中A和B的闪电光就同时到达他的位置，也就是说恰好在他所在的地方相遇。但是（相对于铁路路基来说）该乘客正在朝来自B的光线以等速度V行进，同时他又是在与A处发出的光线做逆行运动。因此，该乘客将先看见自B处发出的光，后看见自A处发出的光。所以，以列车为参照物的乘客将会得出如下结论，即闪电光B先于闪电光A发生。于是我们就得出以下重要结果：相对于路基是同时的事件，对于火车并不同时，反过来也是如此（同时性的相对性）。每一个参考物体（坐标系）都有自己的特殊时间，除非我们能够明确表达关于时间的相对参考物体，否则对一个事件的时间的陈述就没有任何意义。同时性的相对性说明同时不再是绝对的，要讨论两个事件是否同时，首先就一定要指定观者，否则同时将毫无意义。

在出现相对论效应时，“同时”失效的两个类型。

第一种是观者会发现动系异地的“同时”并不同时。如爱因斯坦的雷击火车实验。即同时的相对性

第二种是在闵氏时空中，没有因果关系的两个异地动系事件发生的先后顺序并不是确定的，不同的观者会给出这两个事件不同的发生顺序。

两个类时间隔的事件，先后次序是绝对的。两个类空间隔的事件的先后次序是相对的。两类时事件(或类光事件)之间是可以有因果关系的。两类空事件之间是不可能有因果关系的。没有因果关系，说谁先发生、谁后发生，都无所谓。

此外，还有一类特殊的“同时”——“现在”。

是时候把“现在”这个词儿引入到物理学当中了。正在看这篇文章的读者应该都知道，现在不是昨天，不是前天更不是过去，也不是明天，不是后天，更不是未来，他就是今天，就是此时此刻，就在你阅读文章的时候，他依然在变化前进着。那么什么是现在？如果你也跟作者的想法一样的话，如果过去是已经发生完成的，而未来是还没有发生的，那么现在就是指事物变化的最前端，他不是指某一个确定的时刻，而是一个一直在变化的动态向前的量。仔细想一想，每个人的现在是不是都是唯一的？从小到大，我们所经历的一切的事情，都是曾经发生过的，我们在当时也管那叫现在，但是随着时间的流逝，我们的现在就是在今天的此时此刻，而且是唯一的，不会有别的其他时刻的现在，而且他所对应的时刻正在向前发生着变化。这种对“现在”的理解，就是我们最传统的理解方式，是还没有被纳入物理学范围的。庞加莱告诉我们，不能被测量的量无法进入物理学。所以“现在”要想进入物理学，必须和可测量的物理量建立联系。

“现在”是唯一的，承认“历史唯一”即“发生过的历史已经消失、没发生过的未来并不存在”的每一个观者都会认同这一点。每一个观者都只有一个“现在”，每一个变化都只有一个“最前端”，“现在”之外都不存在，存在就是“现在”。所以我的“现在”和你的“现在”同时共存于宇宙中。可以看到，“现在”是一种特殊的同时，具有绝对性、唯一性。不管被观者的运动状态如何，以及其它任何状态量的差异化，只要其存在，他的“现在”就是处于和我们的“现在”同时的状态。并不会出现同时性的相对性。所以这种“同时”是绝对同时。

总结一下：在宇宙中，由于“现在”的唯一性，“同时”也具有唯一性。可是这直接与相对论时空观中的“同时的相对性”相矛盾。

哪里出了问题呢？

应该从“同时”这个概念的产生和发展寻找答案。

同时是一个古老的概念，我们知道，“同时”的产生是依附于时间的定义之上的。“同时”是反应多个事件发生的时间先后的次序。“同时”最重要的功能就是比较时间顺序，或先或后或同时。只要有了同时，就有了事件发生的次序。在绝对时空下，时间是绝对的，空间也是绝对的，时间空间都是唯一的，在这种情况下，同时依附于时间的定义而产生，所以同时也是绝对的，唯一的。绝对时空的适用范围是什么样的？是宏观低速。但是随着科学的发展和进步，我们观测手段的增强提高，我们开始观测微观和高速运动，这时候我们发现绝对时空观并不能适应物理学的发展，并不能反映客观世界，所以我们的时空观发展进步了，变成了相对论时空观，在这样的时空观中，时间不再是绝对的，空间也不再是绝对的，这样同时这个依附时间定义而产生的概念，就必然变成了不再是绝对的，唯一的，这必然会影响同时的定义。这是必然的结果。

在相对论时空观中，时空成为了一个整体，而且时空是绝对的唯一的，所以时间虽然不再绝对唯一，但是时间所构成的时空是绝对唯一的，我们来看一下，最初的同时的定义产生于绝对时空中的绝对时间之下，它的适用范围是宏观低速，但是当我们时空观发展到相对论时空观的时候，我们超越了宏观低速，我们可以关注微观高速现象，所以时间的概念已经是发生了变化，不再是绝对的，唯一的，而是可变的。时间的概念改变了之后，但同时的概念并没有改变，同时依然是那个在宏观低速的情况下，在绝对时空观的时间中定义的老概念、旧概念。

随着科学的发展，概念的改变，我们不得不面临的选择，第1种情况就是时间的概念都改变了，时间都变得不再绝对和唯一了，那么建立在时间概念基础之上的同时，变得不再绝对和唯一就是理所应当了，那我们就承认同时不再绝对和唯一，就像我们现在这样做的那样发现了同时的相对性。（但是这样一来“同时的相对性”与“现在的唯一性”直接矛盾，但是相对论允许历史存在）；还有一种情况就是我们依附于绝对时间的概念上建立了绝对同时，那么当时间的概念变得不再绝对和唯一之后，我们应当改变同时建立时所依赖的时间概念，我们应该去寻找一个绝对唯一的概念去建立同时。由于时间和空间形成了一个绝对的时空，所以同时的概念可以建立在时空概念的基础上。这样同时就又变得绝对和唯一了。

作者写到此处，突然惊觉不对。哪里不对？是对时间概念的理解出错了。

我们用时间来表示变化。我们说时间就是变化。其实就是用一种变化表示其他的变化。具体是怎么做的？就是，把变化标准化，用标准化的变化表示其他的变化。我们用选定的标准化的变化制作计时工具，如钟表等等，来对其他变化进行计量。从这个意义上来说，时间的本质就是变化。时间的作用就是计量变化。那么这样的时间能够反映出所有的变化吗？在物理学中我们使用标准钟的指针读数来反应时间变化。如果我们事先进行了比钟对表，就是事先将标准钟的读数统一，即约定同时，然后用标准钟记录时间变化，只要看标准钟的读数就可以了。在科学的香草时代，在经典物理学建立的时代，在绝对时空观中，在宏观低速的范围内，这样定义的时间能够反应所有变化，即我们没有发现时间无法记录的变化。我们要做的只是把标准钟做的更精准，让时间精度越高，来满足对测量的要求。但是，随着物理学的发展，我们终于发现标准钟“不准”了，即所谓的“尺缩钟慢”和大质量造成时空弯曲。

我们的结论是时间不再是绝对的了。但是这也表明用标准钟无法记录所有的变化。这是个具有开创性的思路：时间就是变化，我们用标准化的变化来记录其它变化。现在我们标准化的变化(标准钟)无法准确记录其它变化了，是什么原因？原因就是随着物理学的发展，我们找到了标准钟无法记录的变化。作者认为新现象非常明确的告诉我们，旧有的时间定义没有问题，但是我们选定的被我们标准化了的变化不能反应全部变化。即时间的定义无需改变：时间就是反应变化和记录变化。

要改变的是用什么变化来表示时间，去掉旧有标准化的变化，代之以能够反应全部变化的新变化。

这种观点应该成为一种原则。再次强调，时间就是反应变化和记录变化，如果旧有的标准化的变化无法反应全部变化，那就选择能够反应全部变化的新变化，将之标准化，来作为时间测量和制作计时工具的依据。

试想想，如此一来，时间又因我们的选择变成了绝对的，“同时”亦如此。这样又与唯一的“现在”相符合了。

这是个开创性的思路。本书依据此原则，以时空变化为依据，在光速时空中建立四维时间，就是一种对上述原则的尝试。