时间和光的真相
谈到时间和光，就不可避免的要提到相对论。因为，相对论的许多预言都得到了证实，对于宏观的天体来说，也是最前沿最权威的解释了。相对论有狭义和广义之分，狭义相对论基于两个假设。第一个假设，其实经典力学上也有，最早学物理第就学这个。火车以均速直线驶去，你在火车旁边小屋里打球喝水和在火车上车厢里打球喝水感觉上没有什么差异，这在相对论中表述为，对于任何惯性系而言，物理规律都是等适的。第二个假设，光速恒定。其实，在爱因斯坦之前，光速恒定已经被人意识到并被科学家提出，包括对天体的观察和对微观电磁现象的解释。得出光速恒定的方法和思路都比较复杂，科学家是最有智慧的，这个不用强调。
每二个，光速恒定也是基于惯性系。其实，爱因斯坦没有做什么，只不过，发现光速恒定的那些科学家，对观测到的现象百思不得其解，甚至怀疑自己的观测和实验。爱因斯坦做出了一个大胆的假设，承认了这一点，并颠覆了经典力学绝对的时空观。老实说，我没有通读过相对论的原文，也没有认真研究过其中复杂的数学计算，而在读过百科和一些资料对相对论的介绍，我觉得自己是懂了相对论的，那爱因斯坦本人是不是真的懂相对论呢？仔细思量一下，我觉得爱因斯坦是懂了的，正是因为，爱因斯坦懂了，他才大胆的做出了这些假设，并提出一些预言，让人们去验证。
对于语言的片面性，也许，我很难让你理解爱因斯坦搞懂了什么。不过，我尽可能写得详尽一些。广义相对论其实不必理会。狭义相对论的惯性性设定有一个缺陷，先说一下惯性系，就是静止和均速运动之间的事。命名为惯性系，就好比说没有受到外力的自由运动或自由静止。比如说，以Ａ为参考系，Ａ在宇宙中静止，Ｂ和Ｃ相对于Ａ作均速直线运动，只不过速度不同。Ｄ相对于Ｃ有一个加速度，Ｅ相对于Ｂ有一个相同于Ｄ的加速度。那么，以Ｄ为参考系，Ｅ是怎么样的？可见惯性系的设定是有问题的。
曲线可以看成许多折线组成的，同样，只要能计算均匀的加速，就能计算出任意的变速，这样，把狭义相对论中的惯性系扩展到任意参考系就行了。广义相对论的亮点是，质量会改变时空，特别是那些质量大密度高的星体，引力和改变惯性力等效，不必细仔细考量这些难以理解的东西，重要的是，广义相对论把两个基本假设扩展到宇宙内都适用的范围了。记着，一切的一切都，源自光速不变原理，还有不同参考系中规律等效原理。有了这些，只要我们有足够丰富的数学、物理和天文学知识，我们自己也能推算出一切，这两条是相对论中一切的基石。
广义和狭义相对论都是建立在相对性和光速恒定两大假说之上，好在，随着时间的推移，相对论的预言一个又一个被证实。要想搞懂时间是什么，就要先从光速恒定这一奇怪的事情说起。
假设一名风度翩翩的艺术家正在宇宙的深处努力思考着人生，感慨着时光的流逝，这时，一列飞车从艺术家的身边疾驰而过。假设这列飞车的速度相对于宇宙深处的艺术家来说是二分之一光速，飞车和艺术家擦肩而过的时候，一道光亮起，向飞车的正前方而去。如果光速恒定一秒之后会发生什么事情呢？首先说狭义相对论中没有绝对静止的概念，你把艺术家看成静系，飞车就是动系，你把飞车看成静系，艺术家就是对系，这个就是相对论的第一个假说相对性的意思。这里把事情简单话，艺术家为参考系，认为是静系。注意，以下的说法都是在建立在艺术家为参考系之上的。距离速度时间的单位分别统一为千米或秒然后忽略，再把光速看成单位一。艺术家站在Ａ点不动，一秒之后，这束光应该跑到了Ｂ点，飞车跑到了Ｏ点，这时，Ｏ在ＡＢ的中点之上。如果光速不变的话，问题就成堆了。
一秒，光走了一，ＡＢ为一。一秒，飞车走了二分之一，0Ａ为二分之一。那么ＯＢ是多少，很简单，Ｏ是中间，ＯＢ也是二分之一。那么根据，光速恒定，光走二分之一只需要二分之一秒，飞车应该只走了二分之一秒，问题是，ＯＡ是二分之一，飞车的速度是二分之一，飞车走完ＯＡ花了一秒，那这速光应该走了一秒才对，而光走了一秒的话，ＯＢ应该是一，而不是二分之一。这就是爱因斯坦提出相对论之前，相对论和光速恒定不可调和的一面。
更正，上楼最后一句是相对性和光速恒定不可调和的一面。接着说，爱因斯坦是如何把相对性和光速恒定统一起来呢。爱因斯坦的解释是，这种相对运动造成了在静系看来，动系的时空被压缩了，距离变小，时间变慢，只要变化后的距离除以时间等于光速就成了。ＯＢ长度为一，这原本是在艺术家看来，在飞车系中，光走一秒应有的长度，ＯＢ长度为二分之一，这原本是艺术家看来，艺术家系里，光走一秒后减去飞车走过的路程所得。注意，都是艺术家的视角，前一个是飞车系里压缩过的时空发生的事，后一个是艺术家系里正常时空发生的事。
现在要说的一点是，这个一秒后光行进到的Ｂ点相对于艺术家和飞车来说并不意味着同一件事情，这一点估计爱因斯坦也没有深究，或没有必要深究，但这个贴子后面我会从另一个角度论述。还有一点是，你不确定参考系的情况下，你是无法确定ＯＢ或ＡＢ的长度的。前面已经很明显的提到时空压缩，飞车的速度是会影响到时空压缩的程度的，也就是说ＯＢ或ＡＢ在不同参考系前长度是不确定的。上面例子中长度到底是怎么样，其实不重要，重要的是你能理解时空被压缩了就行。这个压缩比例很难算，因为时间和距离同时在变，好在有现成的公式，飞车速是二分之一，如果是飞车看成静系的话，单位一变成，一减去四分之一开平方，二分之根号三。二分之一就会变成四分之根号三。
估计看到这里，一些人已经迷糊了。这种时空压缩是真实的，还是速度带来的幻觉？这就是你懂或没有懂相对论的关键所在。比如说我站在高处，看远方的汽车火车也变小了，是这种幻觉吗？我告诉你不是！首先，这种时空压缩是运动带来的，你站在高处，汽车和火车停下来或是走着，你看起来都变小了，这种时空压缩和幻觉是两码事。然后，根据公式，这种时空压缩随着速度不断加快，开始压缩变化很小，到了最后，越接近光速变化越大，而我们地球上的汽车火车运动相对光速不值一提，带来的时空压缩可以忽略。下面我就说一个问题，一个离我们十光年的星球，我坐飞船现在以二分之一光速到这个星球要多长？十年？当你得到这个答案时，表明你还没有看明白。关键在于，这段路程会真的随着我的速度而变化，二分之一光速的情况下，十年*根号三再除以二，大约八年多就到了。事实上，随着我速度的不断增大，当我以光速时，这段距离为零，无法定位那个星球，已经失去了计算的意义，只能说，当我以接近光速时，十光年接近为零，我可以瞬息到达。重点在于，距离的长短是真的变了，而不是幻觉那种。
以相对论来看，物质加速到光速，物质质量会变成无穷大。光子是个很奇怪的东西，准确一点说，应该是是接近于没有质量和能量的东西。科学说光有能量，只是说光子是前面我们论述的世界的一部，不是实在。实在的光子是无的，所以，才能以最大速度运行。而科学界的光速其实是人意识中的一种极限，3.0*10的八次方也是世界，不是实在。
这里需要讨论的一点是，相对论中，光是不可以做参考系的。这已经一目了然，对于光来说，任何系的运动都失去了意义，任何系中任何物体都是以光速动行的。那以光为参考系还有什么意义呢？也就是说，我乘飞船在太空飞了十年，回来时，我会惊奇的发现，地球已经过去了二十年，我的弟弟成了我的哥哥，参照地球系，我可以以变速运动来改变时空的进度，走一个时间的捷径，关于这一点，我下面再谈。但是，我却无法改变光速，无论我何时何地以何种方式何种速度运动，我都无法改变光速，你想明白这意味着什么了吗？
相对论问世以后，时空穿越的小说电影盛行。实际上，光速恒定意味着我们无法穿越时空！无法改变光速就无法穿越时空！前面不是说太空中转了十年后回来，地球已经二十年了，现在怎么又说无法穿越了呢？这到底是怎么一回事，别急，我会慢慢给你解释。
一对双胞胎，出去太空旅行的回来，发现自己比留在地球上的弟弟小了十岁。这种情况，可能吗？可能！真实会发生，表示运动方式确实会改变时空的进度。也揭示了，时间和空间存在着某种关系。这种说法会面临一个问题，根据相对论的等效性原则，地球上的，会觉得太空上的时空压缩了，而太空上的也会觉是时空压缩了，地球上会觉得太家比较年轻，而太空中也会觉是地球上的比较年轻。狭义相对论中没有绝对的静止，拿上面艺术家和飞车的例子来说，两个参照系是等效的，艺术家参照系里长度为一，在飞车看来是二分之根号三，同样，飞车参照系里长度为一，在艺术家系里也是二分之根号三。双胞胎都觉是对方比自己年轻也是对的，但是，狭义相对论是基于惯性系，太空旅行一直向前飞，匀速直线运动下去，永远不会和地球的相遇。相遇时的情况发生，必然是太空旅行的速度上或方向上发生了变化，年龄的差别也就在这个过程中产生了。
为了直观的表达这个问题，介绍一个时空图。为了简化问题，假定太空的那个无论是出去还是返回，都在同一条直线上行走，不过是两个方向不同。现在，以太空的那个出去时的方向为准画Ｘ射线，再以出发点地球为原点，画ＹＺ射线，三条线互相垂直，太空中任何一点都可以用到三条方向轴的垂线段的长度（ＸＹＺ）这样一组坐标来表示。因为，刚才假设是沿着Ｘ线走，那ＹＺ其实恒等于零，可以忽略掉，我们直接画出一条水平射线Ｘ，就可以表示一个三维空间。在二维平面上，做一条垂直于Ｘ并从原点出发的向上的射线Ｔ来表示时间。
根据勾股定理，一个三维坐标系中原点Ｏ离任意一点Ａ的距离 ＯＡ的平方＝Ｘ的平方+Ｙ的平方+Ｚ的平方。同时，距离ＯＡ＝速度*时间 即ＯＡ的平方＝速度平方*时间平方 那么就有Ｘ的平方+Ｙ的平方+Ｚ的平方－速度的平方*时间的平方＝0 然后 我们在上楼提及的 二维平面上表示四维的图 即 一个直角 水平方向上的边为Ｘ轴 表示运动的距离 垂直方向上Ｔ轴 表示运动对应的时间 Ｘ轴的单位取每秒光行进的距离 Ｔ轴单位取秒 就得到了一个简单的时空图
因为ＹＺ假定为零，那时空图中任意一点的世界线的线长为（距离Ｘ的平方－时间Ｔ的平方）的绝对值 那么物体以光速移动时世界线为零，这些世界线为零的点刚好落在直角坐标系的角平分线上。时空图神奇的地方就在于这条角平分线，任意参考系的时间轴和距离轴都沿这一条线轴对称。而且，比较世界线的长短时，结果不随参考系变化而变化，可以很方便比较世界线的长短。简言之，以留在地球上的弟弟为参考系画一张时空图，地球上弟的静止不动，Ｘ坐标一直是零，Ｘ的平方等于零，而时间Ｔ在增长，那么，弟弟的世界线是沿着时间线Ｔ的，世界线的绝对值为Ｔ的平方，是这个坐标系中可能的最大的数值。这也就是说，当一个人静止不动时，随着时间的推移，他的时间流逝是最慢的。而在弟弟看来，出去太空旅行的哥哥走了一条曲线和折线，自己看公式，哥哥的这条曲线的世界线的长度是一定小于弟弟的。
现在解答相对性的原理，哥哥和弟弟是等效的吗？现在，以太空旅行的哥哥为参考系，再画一张时空图。现在太空旅行的哥哥被我们当成静止的，我们会发现，开始时间哥哥的Ｘ坐标是不变的，等于零，Ｙ在增长，这和刚才的弟弟为参考系相似，但是，太空旅行的哥哥一直以均速直线运动的走下去，就可以不需要任何外力自由的走下去，这和地球上的弟弟为参考系也没有什么两样。不过，他们要想再见面，这种状态必须打，太空旅行的哥哥需要受到外力，需要减速到负，或者掉头才能再次见到地球上的弟弟，在这个过程中，哥哥为参考系中的哥哥的世界线必然不能再沿着Ｙ轴走了，沿静止的Ｙ轴的世界线是最长的，也就是说，就算是以太空旅行的哥哥为参考系，太空中的哥哥是不可能走最长的世界线的。这样，哥弟再次相见时，所经历的时间确实也是不同的。
时空图这些看得懂或不懂都无所谓，你只需要记着一个结论。2019年某人去太空旅行，陪他去旅行的还有一块校准了的表，到2039年某人返回的时候，我们会发现，他的表才走到2029年。表没有坏，运动会带来时间同步性上的差异。这里，我们得到理解相对论的很重要的一点，那就是运动能影响到时间流逝。
现在，离懂相对论又近了一步。我们需要尝试着找一些相对论中绝对的东西，第一个，就是光，时空图中光的世界线恒为零，无论在哪个参考系看来。相对论中，光速恒定。第二个，任何参考系中，那些规律都是恒定的或绝对的。这里非常重要的，在相对论这套理论中，无论是弟弟的表，或是哥哥的表，都是校好了的，一样的，而且是不会坏的。