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第二章 停止之处 3 奇怪的一对（第2页）

但为什么这一切我们从未发觉？因为在日常生活中，这种相对差距实在太小了。没有人能以接近光速的速度运动。30万千米秒的速度实在太快了，快到我们都没什么概念。也许说成10亿千米时我们能更清楚一些：以这样的速度1秒就可以绕地球7圈多，或者飞到月亮上去。

国际空间站（ISS）的宇航员以28，000千米时的速度绕着我们运动，但就连他们也不会受明显相对论效应的影响。因为高速运动，他们每在空间站待1年，就会使生命延长10。4毫秒，但因为空间站在离地表408千米的地方，那里的引力场更弱，时间过得更快，所以每年会少1。4毫秒左右。总体算起来，每在轨道上过1年，就会多出9毫秒的生命。意大利宇航员萨曼莎·克里斯托弗雷蒂已经在国际空间站待了6个多月，所以她多得了大约5毫秒的时间。不过计算归计算，要验证这一多得的时间却很难，因为在轨道上，宇航员的身体要经受宇宙射线和微引力带来的很多考验，这对身体的伤害肯定超过了相对论带来的好处。

如果相对论效应对于我们能造出的最快的宇宙飞船都如此微弱，那对于日常生活的各个方面就完全可以忽略不计。不过最近几十年，我们已经可以非常精确地测量相对论效应，并详细验证爱因斯坦的预测。

周期性现象一直被用来度量时间：脉搏、太阳东升西落、钟摆的振**等。在时间度量史上，从钟摆式机械钟到石英钟再到原子钟，随着度量所用物理现象的频率越来越高，度量精度也越来越高。20世纪初的科学革命为我们提供了探索和理解原子系统特征现象的工具。正是在原子系统中，我们找到了频率极高的周期变化，其节律比之前用于计时的任何自然现象都更加规律和精确。

最早的原子钟于20世纪50年代前后被研制出来后，很快就成为度量时间最准确、最稳定、最可复制的工具。

将稀有金属铯的原子冷却到接近绝对零度就可以获得非常精确的周期性振动：在合适的外部刺激下，铯原子的电子会不断改变能级，然后再迅速恢复到原来的状态。其跃迁频率是如此精确，以至在1967年，科学家们决定以此来重新定义秒。要了解量子跃迁的情况，只需记住，一个好的石英钟一年会有几秒的误差，而原子钟几百万年才会有1秒的误差。最近还出现了一些实验性原型，它们150亿年才会有1秒的误差——150亿年比宇宙的年龄都长。

进一步提高时间度量精度的努力还在不断进行着。为什么会如此执着？因为在物理学历史上，每次找到一种更精确的时间度量方式，就会有其他的基本发现。比如，有些人就想要借此验证物理基本常数是不是真的恒常不变。新设备的极端精度也让我们可以验证电磁学、引力、量子力学的基本原理。

美国科学家大卫·维因兰德走在这项研究的前沿。他和法国科学家塞尔日·阿罗什共同获得了2012年的诺贝尔物理学奖。维因兰德想利用陷俘离子在超冷系统中极快、极稳定的转变，借助量子力学性质制造出比最好的原子钟还要精确的时钟。

其研究十分有前景，甚至可以做到几十年前无法想象的测量。维因兰德用他的量子钟测得了设备升高几十厘米时引力场的减弱。这也可以算是圆满了，因为在用空间度量时间几千年后，现在我们也可以用时间度量空间了，即利用广义相对论引起的微小时间差，我们可以测量出桌子上物体的高度。

用相对论赚钱

利用第一个原子钟的精度，我们可以详细验证爱因斯坦提出的时间效应。狭义及广义相对论预言，同样的钟在两架相对飞行的飞机上走时不一样，在都灵和在海拔3250米的阿尔卑斯山的罗萨高原上走时也不一样，这些都已被观测到。

而对全球通信系统的发展而言，修正相对论效应引起的时间误差更是无比重要。当1915年爱因斯坦写出广义相对论时，没有人会想到100年后谷歌能利用它赚得盆满钵满。

我们的地球被许许多多各种用途的卫星围绕着。有一些卫星让我们可以打电话、接收世界各地的电视信号，有一些用于观测气象或给世界上各个地区拍照以探测资源、预防火灾，还有一些则是太空军事情报体系的一部分。有一些特殊卫星构成了卫星网络，来监测交通工具的移动，保障航空航海的安全。有一些卫星提供全球定位系统服务（GPS），让我们可以在地图上看到车辆或手机的位置。这张全球卫星网由几千颗卫星组成，它们位于高300到36，000千米左右的轨道上。后者正是同步卫星的轨道，这种卫星绕地球一周刚好24小时左右，所以它在天空中的位置看起来是固定不变的。近年来，又有了利用微型卫星网络让世界上任何地方都能接入互联网的计划，因此，同步卫星的数量也势必越来越多。

在如此复杂的系统中做到通信同步是一个相当大的技术挑战，而且人们很快就发现，要做到这一点必须要修正时间的相对论性误差。卫星在轨道上高速运动，且处于相对于地面基站更弱的引力场中——这两个因素导致必须要做一些修正，否则许多功能都无法实现。尤其是定位功能，因为所有定位系统都基于无线电三角测量，如果不修正各个位置的信号到达时长，目前的精度（在军用系统中甚至能精确到几厘米）就会大大下降，那这个昂贵的系统也就完全失去了作用。

目前的GPS系统基于由31颗卫星组成的网络，分布于20，000千米高的近圆形轨道上，其分布使得任何时刻从地球上任意地点都能看到至少3颗卫星。通过精确测量卫星发出的无线电信号到达接收器的用时，可以用三角测量法定出接收者的位置。每颗卫星上都载有原子钟，并以非常精确的方式进行同步。因为要使GPS发挥作用，需要考虑很多因素，其中就包括相对论效应。卫星围绕地球运动的速度会导致每天慢大约7微秒（1微秒即百万分之一秒），而较弱的引力场则会导致每天快大约45微秒，因此总体快38微秒。如果不修正这快出来的38微秒，那一天就可以差出几千米，系统也就无法使用。总之，我们每次使用谷歌地图时都要怀念一下爱因斯坦，没有他，也许我们永远都见不到约好的人，找不到好朋友推荐的那个隐秘小馆。

大哲学家和小红帽

在成为科学研究的对象之前，时间和空间的关系从古典时代起就已经是哲学思考的重中之重。卢克莱修的《物性论》就曾明智地断言：“若与事物的运动分离，时间便无从说起。”而事物的运动正是在空间中进行的。没有人探索过时间之外的空间，也没有人测量过空间之外的时间，所有时间测量都必然在空间的某处进行。不考虑空间而构建时间是不可能的。

然而，以前对这种联系的认识一直显得很微弱，与我们今天的认知非常不同。因此，以我们今天的知识来看，昔日伟大思想家之间的雄辩似乎只在于深海微澜了：关注表面的波动，集中于无限的细节，却对波澜之下涌动的深渊毫无了解。

伟大的哲学家、科学家、与牛顿同为“微积分之父”的戈特弗里德·威廉·冯·莱布尼茨也曾论说过时间，不过他一直不相信牛顿的绝对时间说，并对之进行了激烈批驳。莱布尼茨认为，时间代表先后秩序，而空间代表存在秩序。对他来说，不可超越物质、真实存在的世界及思维来谈时间和空间。这一立场非常现代，却遭到了康德的质疑。康德将时间和空间归于“先验”，从而支持了牛顿的概念，这一概念一直主导着现代科学，直到20世纪初。在此之前，就连史上最敏锐、最严谨的头脑，也未曾大胆设想过时间与空间的结合是如此紧密，甚至形成一种新的物质结构。

爱因斯坦带来的改变是彻底的，旧框架从此被打破，一去不复返，就好像卢齐欧·封塔纳用史丹利美工刀划破《空间概念》的画布一样。封塔纳以此告诉我们，画布之下还隐藏着另一个维度，一个在传统画作中完全看不到的维度。相对论也一样，让我们瞥见了更深刻的时空联系，而那些发现让我们无比惊讶。

人们不能设想没有空间的时间或时间凝固的空间，但还有更深层的东西有待发掘：时间和空间紧密相连，分开了就什么都没有了。时空不可割裂，其联系是本质的、原生的、不可消灭的。

更令人惊讶的是，时空也不能与质能分离，它们都是我们这个宇宙的基本组成成分，并深深地交织在一起，无法想象它们会独立存在。时空是一种物质结构，会变形、振动，并能向很远的地方传播能量。质能决定了时空如何扭曲，而时空决定了在其中的物体如何运动、时钟如何走动。

牛顿以其绝对时间将我们放在了一个精妙的、完美统一的机械中心。这个巨大而复杂的机器掌控着宇宙的运动，所有部件和谐、平衡、步调一致，让我们感到安心。但现在，这一切都被打碎了，变成了一个高度混沌的体系，秩序和规则在本质上也变成了局部的、暂时的。宇宙中的任何一个事件，都被困在自己的光锥之中，限于自己局部的过去、现在、未来，经历着与其他所有事物都必然不同的时间。完美的机械破碎成千万片，就像一只巨大的万花筒。

这令人茫然，但也不禁让人想起约翰·多恩在1611年写下的著名诗句：“一切都已破碎，所有的关联都已消失。”这个与莎士比亚同时代、伊丽莎白时期的诗人，以此表达了哥白尼和伽利略的新科学给他带来的惶恐，因为这种新科学动摇了几百年来都被奉为圭臬的宇宙认知。

一说到时间流逝，人们自然就会想起赫拉克利特的河流之喻：“人不可能两次踏进同一条河，也不可能两次触碰同一状态的会死之物，变化的迅速导致聚聚散散，来了又去。”而爱因斯坦的“时间之河”却炸裂成无数的独立时间。不过，几千年来我们可以忽略这一切，因为我们是宏观物体，生活在恒定的引力场中，以微不足道的速度运动着。总之，现代物理学让我们了解到时间问题下隐藏着矛盾交织的迷宫。为了走出去，我们要理解时间是如何在远离我们的世界里运行的：在粒子加速器才能探索的极微小尺度上，以及在最强大的望远镜才能观测到的巨大维度上。

就像小红帽一样，我们要穿过危机四伏的森林。出发时也许会惶恐，但也向往着不断有新的发现。也许我们会深陷概念织成的密网，也许还会遭遇危险，也许要靠勇气和毅力去面对让我们晕头转向的景象，也许会迷失而找不到回家的方向。更让人不安的是，我们清楚地知道没有猎人来保证完满的结局。不过，虽然我们会远离日常生活中令人安心的确定性，但等我们到达冒险的终点，就会收获一种新意识，它会让我们变得更强大。

拿上你的小篮子，披上红色的小斗篷，和我们去林中一探究竟吧。