大家好！这里是天天听好书。今天我们要讲的是海南出版社2020年3月出版的《我们身处的宇宙究竟有多古怪》。

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作者伊拉·马克·爱格多尔是美国著名科普作家。该书以幽默、通俗的语言清晰地讲述了爱因斯坦如何彻底改变我们对空间和时间的理解。从质量能量转换方程到每天的时间旅行，从黑洞到宇宙大爆炸，作者带领读者在一场令人难以置信的旅程中穿越到爱因斯坦的宇宙深处。一路上，我们跟随爱因斯坦走过他起伏的生命历程，见证他的思想、逻辑、洞察力、想象力和创造力。

全书共16章，这里要讲的内容来自第5章“时间的收缩”。时间和物质运动的速度有什么关系？当物质的运动速度接近或达到光速时，时间会发生什么样的变化？如何理解时间的相对性？这就是本章的内容。

时间是相对的，这个观点的内在含义是，有关时间的所有方面均是相对的。假设现在有一艘宇宙飞船正以87%的光速驶离地球，根据推算，飞船上时钟的转速会比地球上时钟的转速慢一半。

飞船里宇航员的衰老速度也会比地球上的人慢一半；在其他环境条件一致的情况下，飞船上微生物的存活时间比地球上同种微生物的存活时间短一半；一切随时间而变化的物理性质都会受到类似的影响。时钟转速不同只是时间相对性的一个表现。

时间膨胀究竟是如何产生的？爱因斯坦提出的光速不变原理和相对性原理是如何直接导致时间收缩？爱因斯坦指出，光的传播速度对于任何观察者而言都是相同的。这一令人震惊的洞见带来了巨大的冲击，全盘推翻了我们对时间本质的已有认知。

让我们来回顾一下爱因斯坦著名的“光钟实验”，也就是光子时钟的实验。这个实验是基于物理学中的声音传播原理而展开的，它是一个思想实验不具备现实可操作性，爱因斯坦这位伟大的物理学家常用此类思想实验来阐释自己的观点。

光钟实验装置由两块平行摆放的光滑平面镜组成。一个光子在两面镜子间来回反射。光子以光速不停歇地在底部镜面与顶部镜面之间来回振荡。倘若现在有两套一模一样的光钟实验装置，第一个装置与你相对静止，第二个则正从你的左侧向你的右侧做匀速运动。看一看这两个时钟。从你的角度看，第一个时钟是静止的，所以在这个静止时钟之间来回反射的光子只须做上下运动，而在移动时钟里的光子则须沿对角线运动。所以，移动的两面镜子间反复振荡的光子必须行进更长的距离。

因为两个光子都是以相同的速度进行运动的。但是，移动时钟里的光子行经的路径显然更长，这意味着，时间更长。因为相对于你而言，在运动的时钟里时间过得比较慢。光速不变原理使得时间具有相对性，直接导致了时间膨胀现象。

倘若时钟以更快的速度从左向右运动，又会发生什么呢？随着时钟水平速度的增加，光子在两面镜子之间来回反射所需要行经的距离不断延长，因为对角斜线正变得越来越长。这会引起时钟“指针”行走速率的减缓，从而，使得时间的流动越来越慢。假设你现在就端坐在“运动”时钟的顶部，那么你看到的将是怎样番情景呢？以你自身为参考系，你和“运动”时钟处于相对静止状态，而另一个时钟，即前文所述的“静止”时钟则正朝着背离你的相反方向移动。

所以，你将看到，“运动”时钟，即你坐着的这个时钟里的光子正垂直做上下运动。然后你转头去看那个“静止”的时钟，发现“静止”时钟里的光子正以之字形反复运动。因此，从这个全新的视角来看，你坐着的时钟里时间的流速是正常的，而“静止”时钟里时间的流速则较为缓慢。

所以，当你身处那个“运动”的时钟里，你所感知的与你身处“静止”的时钟时所感知的是完全相反的。那么，哪一个视角才是真实且准确的呢？两个都是真实且准确的，因为时间是相对的。

“时间的相对性”这一概念或许很难让人接受，但它确实是真实存在的，是现实世界的一部分，绝不是某个科学家天马空的猜想。

那么，我们是如何确认其真实性的呢？

直到1941年，也就是爱因斯坦提出时间膨胀这一观点36年之后，科学家才首次进行了对时间膨胀的明确测验。当时，科学家发现，来自外太空的宇宙射线撞击高层大气中的空气分子，会产生一种粒子，叫作μ介子。这种介子高度不稳定。它们只能生存几微秒，也就是一百万分之几秒，之后会分解。而且发现μ介子的半衰期为1.5微妙，就是每隔1.5微秒，μ介子数量就会减少一半。根据这样的规律，在这样短的时间，很难有大量μ介子穿过大气层降落到地面。但正是因为时间膨胀的效果，科学家在海平面位置检测到大量μ介子存在的痕迹。因为u介子相对于地面的运动速度高达光速的99.4%，因此，这些“介子时钟”的“指针”行走的速率慢于地面上的时钟。

事实上，在迄今为止已完成的所有实验、观测或测量活动中，无一不能证实爱因斯坦关于时间膨胀现象的预测，虽然它有违我们的直觉，但它确实是正确的，时间的确会随着运动而减缓流动的速度。

为了进一步感知这一现象所能造成的极端影响，我们暂且假设我们的朋友克拉什正乘坐一艘速度可达光速的火箭飞船离开地球，他随身带着一个时钟，每逢整点，这个钟就会以无线电信号的形式发出短促的“嘟嘟”响声。

而他的伙伴艾迪继续留在地球，负责接收克拉什周期性发来的“嘟嘟”声，并与自己的时钟进行对比。

艾迪必须考虑到的一点是，随着火箭飞船逐渐远离地球，发射的无线电信号传播的距离也越来越长，因此，艾迪设计了一个电脑程序，以计算火箭与地球之间的距离，如此一来，艾迪就可以剔除距离的影响，准确判定克拉什发送的无线电信号之间的时间间隔。

根据狭义相对论，火箭上的时间流动远慢于地球上的时间流动。在作为火箭乘客的克拉什看来，时间的流动速度是正常的，但在留守地球的艾迪看来，火箭上的一切活动都是在以慢动作进行的。因此，火箭上的克拉什所认为的一小时，对于地球上的艾迪而言，其实是一段更加漫长的时间。

所以，认真记录每个火箭发射信号的艾迪将看到怎样的情况呢？他检测到的“嘟嘟”声之间的时间间隔要长于克拉什所认为的时间间隔。而且，克拉什搭乘的火箭速度越快，艾迪在地球上检测到的信号之间的时间间隔就会越长。

假设火箭的速度可以达到光速，在这种情况下，在地球上记录下的对应火箭上的一小时的时间间隔将趋近无穷大，但与此同时，火箭上的克拉什并不会感觉到时间的流动有何异常，从他的角度看，时间的流逝与平常毫无二致，不管他是以何种速度进行匀速运动的。

那么，当光子以光速在真空中传播时，就意味着，以光子的视角看，一切时间皆是同时发生的。因此，光子从不曾经历老化或衰变，光子“时钟”的指针也将永远保持静止。对于光子而言，时间的河流是冻结的。

总之，爱因斯坦认为，时间是相对的，物质运动速度越快，时间越慢，时间间隔越长。当物质运动的速度达到光速时，一小时的时间间隔就会是无穷大，时间就会完全停止。

好了！想了解更多内容，建议打开《我们身处的宇宙究竟有多古怪》。感谢你天天听好书，我们明天见！

作者：【美】伊拉·马克·爱格多尔 改编：宗和