8 物理学的时间观

在我们的铁路路基上彼此相距相当远的两处A和B，雷电击中了铁轨。我再补充一句，这两处的雷电闪光是同时发生的。如果我问你这句话有没有意义，你会很肯定地回答说，“有。”但是，如果我接下去请你更确切地向我解释一下这句话的意义，那么你在考虑一下以后就会感到回答这个问题并不像乍看起来那样容易。

经过一些时间的考虑之后，你或许会想出如下的回答：“这句话的意义本来就是清楚的，无需再加解释；当然，如果要我用观测的方法来确定在实际情况中这两个事件是否同时发生的，我就需要考虑考虑。”对于这个答复我不能感到满意，理由如下。假定有一位能干的气象学家经过巧妙的思考发现闪电必然同时击中A处和B处的话，那么我们就面对着这样的任务，即必须检验一下这个理论结果是否与实际相符。在一切物理陈述中凡是含有“同时”概念之处，我们都遇到了同样的困难。对于物理学家而言，在他有可能判断一个概念在实际情况中是否真被满足以前，这概念就还不能成立。因此我们需要有这样一个同时性定义，这定义必须能提供一个方法，以便在本例中使物理学家可以用这个方法通过实验来确定那两处雷击是否真正同时发生。如果在这个要求还没有得到满足以前，我就认为我能够赋予同时性这个说法以某种意义，那么作为一个物理学家，这就是自欺欺人(当然，如果我不是物理学家也是一样)。(请读者完全搞通这一点之后再继续读下去。)

在经过一些时间的思考之后，你提出下列建议来检验同时性。沿着铁轨测量就可以量出连线AB的长度，然后把一位观察者安置在距离AB的中点M。这位观察者应备有一种装置(例如相互成90°的两面镜子)，使他用目力一下子就能够既观察到A处又观察到B处。如果这位观察者的视神经在同一时刻感觉到这两个雷电闪光，那么这两个雷电闪光就必定是同时的。

对于这个建议我感到十分高兴，但是尽管如此我仍然不能认为问题已经完全解决，因为我感到不得不提出以下的不同意见：“如果我能够知道，观察者站在M处赖以看到闪电的那些光，从A传播到M的速度与从B传播到M的速度确是相同，那么你的定义当然是对的。但是，要对这个假定进行验证，只有我们已经掌握测量时间的方法才有可能。因此从逻辑上看来我们好像尽是在这里兜圈子。”

经过进一步考虑后，你带着些轻蔑的神气瞟我一眼(这是无可非议的)，并宣称，“尽管如此我仍然维持我先前的定义，因为实际上这个定义完全没有对光作过任何假定。对于同时性的定义仅有一个要求，那就是在每一个实际情况中这个定义必须为我们提供一个实验方法来判断所规定的概念是否真被满足。我的定义已经满足这个要求是无可争辩的。光从A传播到M与从B传播到M所需时间相同，这实际上既不是关于光的物理性质的假定，也不是关于光的物理性质的假说，而仅是为了得出同时性的定义我按照我自己的自由意志所能作出的一种规定。”

显然这个定义不仅能够对两个事件的同时性，而且能够对我们愿意选定的任意多个事件的同时性规定出一个确切的意义，而与这些事件发生的地点相对于参考物体(在这里就是铁路路基)的位置无关^[1]。由此我们也可以得出物理学的“时间”定义。为此，我们假定把构造完全相同的钟放在铁路线(坐标系)上的A、B和C诸点上，并这样校准它们，使它们的指针同时(按照上述意义来理解)指着相同的位置。在这些条件下，我们把一个事件的“时间”理解为放置在该事件的(空间)最邻近处的那个钟上的读数(指针所指位置)。这样，每一个本质上可以观测的事件都有一个时间数值与之相联系。

这个规定还包含着另一个物理假说，如果没有相反的实验证据的话，这个假说的有效性是不大会被人怀疑的。这里已经假定，如果所有这些钟的构造完全一样，它们就以同样的时率走动。说得更确切些： 如果我们这样校准静止在一个参考物体的不同地方的两个钟，使其中一个钟的指针指着某一个特定的位置的同时(按照上述意义来理解)，另一个钟的指针也指着相同的位置，那么完全相同的“指针位置”就总是同时的(同时的意义按照上述定义来理解)。

[1] 我们进一步假定，如果有三个事件A、B和C在不同地点按照下列方式发生，即A与B同时，而B又与C同时(同时的意义按照上述定义来理解)，那么A和C这一对事件的同时性的判据就也得到了满足。这个假定是关于光的传播定律的一个物理假说；如果我们支持真空中光速恒定定律，这个假定就必然被满足。