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我们知道：时间是人为定义的一个量度事物运动和变化的参数之一，最初以地球自转一周＝24小时＝1440分钟＝86400秒＝......的形式定义时间，目前多用原子的固有振荡频率来定义时间，如铯原子时钟等。但人们往往没有清楚地理解时间其实有两个最基本的概念：时刻和时间。不少人在很多时候容易把时刻与时间两者混浊，从而导致出现时间与运动有关的错误结论，就像相对论的一个重要结论：运动速度越快，时钟走得越慢，也就是时间变慢。下面我们要详细讨论时间到底与运动是否有关的问题。 一、逻辑证明时间与运动无关 我们利用反证法来证明时间与运动无关： 1、我们假设在某惯性系中静止的时钟的时间为T，以速度为v运动的时钟的时间为t，假设时间与运动有关，则两者间应存在如下函数关系： T=f(v)t 为了简化问题，我们进一步假设：函数f(v)为≠0且与速度v正相关（单调增函数）或负相关（单调减函数）的线性函数（相对论中f(v)＝1/((1-v2/c2)1/2)（在本文中简记为F(v))，为正相关函数，即速度v越大，f(v)也越大，其只是正相关函数中的一个特例而已），且与运动方向无关。当v＝0时，f(v)=1，也就是在一个特定的惯性系中所有的时钟行走速度一致。 2、我们假设以上函数f(v)为与速度v正相关，则在此情况下，运动速度v越大的时钟比静止的时钟走得越慢。 2.1、我们以地球上的时钟作为静止的时钟，宇宙中任意其他天体上的时钟作为运动的时钟的话，由于宇宙中任意其他天体与地球间都不是相对静止的，即v≠0，也就是f(v)大于1。则我们可以得出这样的结论：地球上的时钟是宇宙中走得最快的时钟！ 2.2、我们再以月球上的时钟为静止的时钟，除月球外的其他任意天体上的时钟为运动的时钟，也会得出类似的结论：月球上的时钟是宇宙中走得最快的时钟！ 2.3、同理，我们可以以宇宙中任意某一天体上的时钟作为静止的时钟，除其以外的天体上的时钟作为运动的时钟，同样会得出类似的结论：此天体上的时钟是宇宙中走得最快的时钟！ 2.4、从2.1、2.2和2.3条论述可以得出：任何天体上的时钟作为静止的时钟时，它就是宇宙中走得最快的时钟。但我们知道，宇宙中只能有一个或几个最快的时钟，不能全部是最快的时钟。如果都认为自己的时钟是宇宙中走得最快的时钟，那只有一种可能性，宇宙中的时钟走得一样快！ 3、我们假设以上函数f(v)为与速度v负相关，则在此情况下，运动速度v越大的时钟比静止的时钟走得越快。 与上述第2项中的认证类似，只要把其中的慢改为快就可以了，在此不多叙述。 4、以上的推理和逻辑证明充分说明了时间与运动不应该有关系，也就是f(v)≡1。 二、现有几个支持相对论时间与运动有关的观测、实验结论可能存疑 1、飞机上的时钟比地球上的慢 1971年,美国华盛顿大学的哈费勒(J.C. Hafele)和美国海军天文台的理查德·基廷(Richard Keating)两位物理学家作了环球旅行,并且测量了飞机上的4座原子钟。飞机的速度无法和光的速度相比(相差几百万倍)，但是科学家们却证实捕捉到了时间的伸缩性：在旅行结束时，飞机上的钟表指示与地面上的钟表相比晚了59纳秒。 本实验最可能的解释是：因在飞机上的原子钟与在地球上的原子钟所处的高程不同，重力加速度也不同，因此原子钟的振荡频率也会不完全相同，从而导致计时结果不同。 否定该实验的正确性的方法：若增加一架与上述完全一样的飞机（其上也放置4座相同精度的原子钟），此架飞机以与上述飞机的起飞、降落时间，飞行速度和高度完全一样，但飞行方向相反的方向飞行。那么此架飞机上的时钟也应该与上述飞机一样，比地球上的时钟晚59纳秒。但问题是：此两架飞机并不是相对静止的，且两者间的相对速度比其与地球间的速度约大一倍，为什么其上的时钟走得一样快呢？因此，很显然：慢59纳秒并非是因为其与地球间的相对运动所产生，而应该是由其他因素所导致。否则，当我们无限地增加飞机数量，当其飞行方向和速度都不同时，其上的原子钟都与地球上的不一样，且比地球上的慢××纳秒。这样就出现了上面所叙的：地球上的时钟是宇宙中走得最快的、很明显的错误结论。 2、高速运动的衰变粒子寿命延长 有很多报道称：高速运动的衰变粒子寿命比静止的同类粒子寿命延长了，且与相对论结论基本一致，从而证明相对论是正确的。 虽然报道中没有披露具体的测量方法和实验情况，但从一般情况分析，得出上述实验结果可能与测量方法和运动粒子与静止粒子所处的电磁、引力环境不完全一致有关。最大的可能性是：测量静止粒子寿命时，测量装置与粒子间的距离没有变化，即粒子诞生与消亡的时刻所处的位置相对测量装置是固定不变的，而运动粒子则不同，粒子诞生与消亡时刻所处的位置相对测量装置是变化的，且一般诞生时距离测量装置近，消亡时距离测量装置远。由于距离的变化且未消除距离变化的影响时，测量结果就会出现运动粒子从诞生到消亡的时间（也就是寿命）变长。我们知道：当粒子高速运动时，会产生电磁或引力场的变化，同时实验场所各点的电磁或引力场也会有细微的差别。因此测量结果与静止粒子不同也是可以理解的。 否定这类实验正确性的方法：与上面否定飞机上的时间比地球上的慢的方法相类似。我们假设有一个完全相同的粒子，以相同的时间、相同的速度但方向相反运动，则此相反运动的粒子的寿命也应该延长相同的寿命。但此两粒子间的相对速度比与静止粒子的相对速度大一倍，其寿命为什么会一样呢？也就是说：只要粒子相对静止粒子有一定的运动速度，则其寿命就会延长。反过来就是：相对测量装置静止的粒子寿命最短。如果在第一个运动粒子惯性系中做此类实验，你应该得出：第一个运动粒子的寿命最短，静止粒子寿命第二长，向反方向运动的粒子寿命最长。反过来，如果在反方向运动的粒子惯性系中做此类实验，会得出相似的结论。这样三个粒子到底谁的寿命长、谁的寿命短就没有结论了。我们可以进一步假设：用N个此类粒子来做一个模拟宇宙的实验（飞机因飞行速度限制无法进行此类模拟，而基本粒子就可以很容易地做到），一个粒子相对地球静止，一个以月球的速度与方向运动，一个以火星的速度与方向运动，一个以木星的速度与方向运动，........，直到把我们已知的所有天体都替代完。按照上述实验结论可推定本模拟实验的结论是：地球上的粒子寿命最短！其他代表任意天体的粒子寿命都比地球上的粒子寿命长些。但这个结论除非认为地球是绝对静止的或是宇宙的中心，否则就是错误的。但我们知道地球是宇宙中很普通的一颗行星，即不是绝对静止的，也不可能是宇宙的中心，只是因为有了我们人类在上面生存才变得如此特殊。这就印证了在第一项中的逻辑推理了。 3、星光弯曲现象 1919年的日全食观测证实了广义相对论预言的星光弯曲现象。 星光弯曲有可能是由于光子本来就与引力会发生相互作用，只是因为其相互作用实在过小，一般情况下无法察觉而已。但当其经过像太阳一样的大质量天体附近时会受到其强大引力的吸引而改变运动轨迹。另一种可能性是：太阳表层及其附近空间有一层由气体组成的、类似于地球上大气层的气体层，且此层的厚度特别大（据报道，有时候太阳风能刮到地球上来）。也就是说：在我们通常看到的太阳边界以外应该存在一层从里到外温度逐渐降低、密度逐渐减小的气态层。在此层中不仅存在较大的密度梯度，也存在较大的温度梯度。因此，当星光从太阳表面的切线方向进入此气层，再从此层中射出时，肯定将由于所经过的路径上的气体密度与温度不同而改变方向，就像太阳光通过地球大气层时会产生折射，海市蜃楼就是此类折射所导致的。因此，日全食观测到星光弯曲现象是完全正常和应该的。 4、迈克尔逊-莫雷实验 我们知道：迈-莫实验是为了验证以太的存在而设计的一套实验装置，如下图示： 从以上图示可以看出：其理论计算是假设光在相对太阳静止的以太中运动速度为C，因地球自转导致实验装置相对太阳或以太运动速度为V。这样早晨太阳东升时，太阳光相对装置的入射速度为（C+V），傍晚太阳西落时，太阳光相对装置的入射速度为（C-V）。在其理论计算时，分光镜至反光镜M1（东西方向上）和分光镜至反光镜M2（南北方向上）的速度是不同的，所以在实验装置旋转90度后，应该存在光程差，从而导致干涉条纹移动。 我们假设在实验装置所在的惯性系中，无论入射光的速度是（C+V），还是（C-V）甚至是其他的速度值，在整个实验过程中，光经过分光镜、反光镜直到观测屏的整个路径都与入射速度一样，不存在东西方向与南北方向的差异。这一假设也完全符合一般的完全弹性碰撞和反、透射理论与实践。因为在实验装置所在的惯性系中，实验装置是静止的，只有光是在以一定的速度运动的，无论是反射还是透射，都不应该改变光在空气中的运动速度，而只是改变其方向而已。那么，本实验不能观测到干涉条纹的变化就完全正常了。因此，也就不需要相对论把光速假设为：在任何惯性系中光速恒定不变了。 三、时刻与时间的关系及对运动的影响 1、时刻：指某一特定的时间点。如：某年某月某日某时某分某秒某毫秒某微秒某纳秒......所对应的时间点。在此时刻，世界万物，也就是宇宙中所有物质都在空间上有一个特定的位置。如：北京到广州的某一航班起飞时间（严格讲应该是时刻）某年某月某日某时某分某秒。在此时刻，地球位于宇宙的空间位置是特定的，地球上的每个人、每种生物、每样物品、.......宇宙中所有物质都在其特定的位置上；经过一定时间的飞行后，到达广州降落时间（严格讲应该是时刻）为某年某月某日某时某分某秒。在此一时刻，地球位于宇宙的空间位置是特定的，地球上的每个人、每种生物、每样物品、.......宇宙中所有物质都在另一个特定的位置上。也就是说时刻与物质的空间位置应该有关联性。 2、时间：指某两个不同时刻间的差值。如上述的北京至广州航班，从北京机场的起飞时刻与到达广州机场的降落时刻间的差值，即为此航班的飞行时间。 3、运动：指某一特定惯性系中的某一特定物体，其在两个不同时刻时的空间位置发生了变化，我们称此物体运动了。 4、运动速度：是指某特定物体在两个时刻时的空间位置变化量与两个时刻间的差值（时间）的比值。 以上叙述是在某一特定惯性系中作出的，但应适用于每个惯性系。 通过以上描述，我们可以清楚地知道：时刻与时间是完全不同的两个概念，但我们在日常生活中往往未能把两者严格地区分开来。 5、时刻与时间对运动的影响：由以上对时刻、时间与运动的叙述，我们可以清晰的得出：在特定惯性系中，时刻直接与运动物体的空间位置一一对应。即：某一特定的时刻对应运动物体某一特定且为唯一的空间位置。时间只是两个不同的时刻间的差值，与运动物体的空间位置和运动状态或运动速度并无直接关联，只是用来计算运动物体的运动速度时的一个参数而已。因此，时间与运动本身并无直接关联，他们都是描述物体在空间中的状态变化量值的两个相互独立的参数，二者不应该有任何关联，否则就会出现计算机语言中的相互调用时的死循环现象。 6、不同惯性系中时刻与时间的关系 我们应该理解并认定： 6.1、任何一个特定的惯性系中的时间变化率（即时钟行走的速度）是固定不变的且是唯一的，与其他任何惯性系的运动速度大小与运动方向无关。也就是说：相对地球表面静止的时钟变化率是一定值且固定不变，地球表面上只有且唯一的一个标准时钟；相对月球表面静止的时钟变化率也是一个定值且固定不变；火星上、金星上、水星上、土星上、木星上、......其他任何星球上的时钟变化率都是一个定值且固定不变； 6.2、不同惯性系中时间的转换：要把A、B两个有一定相对运动速度V（其值为定值，且只有平动，无旋转量）的惯性系的时间互相转换，必须严格按下述方法进行才能避免误差和争议： 6.2.1、在A、B两个惯性系间应存在一个中间惯性系M（其运动速度为V/2，M上某一特定点m始终位于A、B两个惯性系某一特定点a、b的正中间，以便在M惯性系m点上发出同步标定信号，在A、B惯性系的a、b两个特定点上设置接收同步标定信号。 6.2.2、当在M惯性系m点上以每秒一次的频率发送标定信号，在A、B两个惯性系a、b点接收此标定信号时，则我们可以以某一个标定信号到达a、b点的时刻作为A、B两个惯性系的计时起始点，以第（n+1）个标定信号同时到达A、B两惯性系a、b点的时刻作为计时终止点。 那么以上计时结果可简记为： A惯性系的时间：TA； B惯性系的时间：TB； M惯性系的时间：TM； 很显然TM＝n秒 TA＝（n±0.5nV/C）秒 （其中C为光速；±：a点远离m点时为+，相反为-） TB＝（n±0.5nV/C）秒 （其中C为光速；±：a点远离m点时为+，相反为-） 以上计算结果表明：A、B两个惯性系自收到第一个标定信号至收到第（n+1）个标定信号间的时间差均为（n±0.5nV/C）秒。因此，A、B两个惯性系中的时钟走得完全一样快。两个惯性系并未因为存在相对运动而改变时钟行走的速率。这也符合相对论关于运动是相对的，B惯性系相对A惯性系以V速度运动，反过来，A惯性系相对B惯性系也以V速度运动，只是运动方向相反而已。 作者：彭晓韬（邮箱：pxt1961@126.com；qq：359192179） |
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