摘要：有不少科普粉留言說上周發的微信文章“時間到底是怎麼彎曲的”很是看不懂，小編尋找其中原由，覺得應該讓大家先了解時間是怎麼變慢的，也就是說為什麼加速度越大時間會變得越慢。這一篇幅内容也是布萊恩·格林先寫在《宇宙的琴弦》裡邊，而後再寫了時空卷曲與波瀾。
很難為時間下一個抽象的定義——那常常會把“時間”本身卷進來，要不就得在語言上兜圈子。我們不想那麼做，而采取一種實用的觀點，将時間定義為時鐘所測量的東西。當然，這也把定義的負擔轉給了“時鐘” 。這裡，我們不那麼嚴格地将時鐘了解為一種做着完全規則的循環運動的儀器。我們通過計數時鐘經過的循環次數來測量時間。像手表那樣的尋常鐘表是滿足這個定義的，它的指針規則地一圈一圈地轉，而我們也的确通過它的指針在兩個事件之間轉的圈數來确定時間。
當然， “完全規則的循環運動”也隐含着時間的概念，因為“規則”指的正是每一個循環經曆相同的時間間隔。從實用的立場出發，我們用簡單的實體過程來建立時鐘，就是說，我們希望它在原則上反複地循環，從一個循環到下一個循環不發生任何方式的改變。古老的來回搖蕩的擺鐘和以重複的原子過程為基礎的原子鐘，為我們提供了簡單的例子。
我們的目的是認識運動如何影響時間的流逝。既然我們已經以操作的方式用鐘的運動定義了時間，那麼也可以将問題轉換為：運動如何影響鐘的“嘀嗒” ？首先應強調一點，我們的讨論并不關心某個特殊的鐘的機械零件會在搖晃、碰撞中發生什麼事情。其實，我們要講的隻是最簡單最平凡的運動——速度絕對不變的運動——這樣也不會有搖晃或碰撞。我們真正感興趣的是一個普遍性的問題：運動如何影響時間的流逝，也就是說，如何根本地影響任何鐘的節律，而與鐘的具體設計和構造無關。
為此，我們引入一種最簡單的概念性的（不過也是最不實用的）鐘，那就是所謂的“光子鐘” 。它由安在架子上的兩面相對的小鏡子組成，一個光子在兩面鏡子間來回反射（圖2.1）。假定鏡子相隔15厘米，光子來回一趟需要大約十億分之一秒。我們可以把光子的一次來回作為光子鐘的一聲“嘀嗒”——嘀嗒10億聲就意味着經過了1秒。
圖2.1 兩面平行鏡子構成的光子鐘，中間有一粒光子。光子每完成一次往返，鐘就“嘀嗒”一聲。
我們可以拿光子鐘做秒表來測量兩個事件的時間間隔：隻需要數一下在我們感興趣的期間裡聽到了多少次“嘀嗒”聲，然後用它乘以每次“嘀嗒”所對應的時間。例如，我們測量一場賽馬的時間，從開始到結束，光子來回的次數為550億次，那麼我們知道賽馬經過了55秒。
我們用光子鐘來讨論是因為它的力學性質很簡單，而且擺脫了許多外來的影響，進而能讓我們更好認識運動如何影響時間過程。為看清這一點，我們來仔細看看身邊桌上的光子鐘是怎麼計時的。這時候，忽然從哪兒落下另一隻光子鐘，在桌面上勻速地滑過（圖2.2）。我們的問題是，運動的鐘與靜止的鐘會以相同的節律“嘀嗒”嗎？
圖2.2 前面是靜止的光子鐘，另一隻光子鐘勻速滑過。
為回答這個問題，讓我們從自己的角度來看光子在滑動的鐘内為了一聲“嘀嗒”該走的路徑。如圖2.2，光子從滑動着的鐘底出發，然後到達上面的鏡子。在我們看來，鐘是運動的，光子的路徑應該像圖 2.3那樣是斜的；
圖2.3 從我們的視點看，光子在滑動的鐘裡走過一條折線。
如果光子不走這條路，就會錯過上面的鏡子而飛向空中。然而，滑動的鐘也有理由說自己是靜止的而其他東西在運動，我們也知道光子一定會飛到上面的鏡子，是以我們畫的路線是對的。然後，光子從上面反射下來，沿着另一條斜線落回下面的鏡子， “敲響”滑動的鐘。顯然，我們看見的光子經曆的兩條斜線比光子在靜止的鐘裡從上到下的直線更長，因為從我們的視角看，光子不僅上下往返，還必須随滑動的鐘從左飛到右。這一點是有根本意義的。另外，光速不變性告訴我們，滑動鐘的光子與靜止鐘的光子一樣，都以光速飛行。光子在滑動的鐘裡需要飛過更長的路徑，是以它“敲響”的鐘聲會比靜止的鐘少。這個簡單的論證說明，從我們的視點看，運動着的光子鐘比靜止的光子鐘“嘀嗒”得慢。而我們已經認為“嘀嗒”的次數反映了經曆時間的長短，是以我們看到，運動的鐘的時間變慢了。
你可能想問，也許這不過是光子鐘的特殊性質，未必适合于古老的擺鐘或者勞力士手表。這些更熟悉的鐘表測得的時間也會慢嗎？我們可以響亮地回答“是的” ，可以用相對性原理來證明。
在光子鐘上系一隻勞力士表，重複剛才的實驗。我們已經講過，靜止的光子鐘和系在上面的勞力士表所測量的時間是一樣的，光子鐘“嘀嗒”10億次，勞力士表走1秒鐘。如果光子鐘和勞力士表在運動呢？勞力士表會像光子鐘那樣也同步地慢下來嗎？為使問題更明白，我們把鐘和表固定在列車車廂的地闆上，車廂沒有窗戶，列車在筆直光滑的鐵路上勻速地滑行。根據相對性原理，車上的人誰也沒有辦法判斷列車是否在運動。但如果勞力士表和光子鐘不同步，他們就可以憑這一點發現運動的效應。是以，運動的鐘和鐘上的表一定測量相同的時間間隔；勞力士表一定以完全相同的方式像光子鐘那樣變慢了。不論什麼牌子、什麼類型、什麼結構的鐘表，隻要在相對運動，它們就會測量出不同的時間節律。
光子鐘的讨論還說明，靜止與運動的鐘的時間差決定于滑動鐘的光子完成一次往返飛行需要經過的距離，而這又決定于鐘滑動的速度——從靜止的觀察者看，鐘滑動越快，光子飛行越遠。是以，與靜止的鐘相比，滑動的鐘滑得越快，它“嘀嗒”的節律就越慢。
為了對時間大小有一點感覺，我們注意光子來回一趟大約是十億分之一秒。能在“嘀嗒”聲中經過一段可以覺察的路徑的鐘一定運動得很快——那速度與光速差不多。假如它以尋常的每小時16千米的速度運動，則在光子走完一個來回時它才移動了五百億分之一米。這個距離太小，進而光子經過的距離也小，相應地，對鐘的影響也小了。根據相對性原理，這同樣适合于所有的鐘——也就是說，适合于時間本身。這也是為什麼我們這些以低速度相對運動的生命一般都感覺不到時間的扭曲。那效應雖然肯定存在着，卻是小得驚人。相反，假如我們能抓着滑動的鐘，跟它一起以四分之三光速運動，那麼我們可以用狹義相對論方程證明，靜止的觀察者會發覺我們運動的鐘的節律大約隻是他們的鐘的三分之二，這實在是顯著的效應。
原文釋出時間為：2016-06-07
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