8. 物理学中的时间概念

在我们铁路路基上彼此远离的两处A和B，雷电击中了铁轨。我再补充一句断言，这两处雷击是同时发生的。亲爱的读者，如果我现在问你这句话是否有意义，你会坚定地回答说“有”。但是，如果我请你更确切地解释一下这句话的意义，经过一番思考，你会发现这个问题并不像初看起来那样容易回答。

一番思考过后，你或许会想出如下回答：“这句话的意义本来就很清楚，无须另作解释；当然，如果要我通过观测来确定在实际情况下这两个事件是否同时发生，我就需要考虑考虑。”对于这个回答我并不能满意，理由如下。假定有一位能干的气象学家经过敏锐的思考发现，闪电必然总是同时击中A处和B处，那么我们将面临一项任务，即检验该理论结果是否符合实际。一切物理陈述，只要“同时”概念在其中发挥作用，都有类似的问题。对物理学家而言，只有当他有可能查明一个概念在具体情形中是否恰当，这个概念才是存在的。因此我们需要有一个同时性的定义，它能给出一种方法，使本例中的物理学家能够通过实验判定那两处雷击是否同时发生。假如这个要求还未得到满足，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（当然，不是物理学家也一样），这就是自欺欺人。（请读者完全承认这一点后再往下读。）

经过一段时间的思考，你提出以下建议来确定同时性。沿着铁轨量出连线AB的长度，然后把一位观察者置于距离AB的中点M处，这位观察者应配备有一种装置（例如彼此成90度的两面镜子），使他能在同一时间看到A处和B处。如果他能同时看到这两个雷击，那么这两个雷击必定是同时的。

对于这个建议我感到非常满意，但我仍然不能认为事情已经完全弄清楚，因为我感到不得不提出以下反驳：“如果我已经知道，把对雷击的知觉传给M处观察者的光从A传到M的速度与从B传到M的速度是相同的，那么你的定义当然是对的。然而，要想对这一假定进行验证，必须已经掌握了时间测量方法。因此，我们似乎陷入了一个逻辑循环。”

又考虑了一段时间，你轻蔑地瞟了我一眼（这是无可厚非的），向我解释道：“尽管如此我仍然坚持我先前的定义，因为它对光实际上没有作任何假定。对于同时性的定义只有一个要求，那就是在每一种实际情况下，它必须能为我们提供一种经验方法，以判定有待定义的概念是否被实现。我的定义无疑满足了这个要求。光从A传到M与从B传到M需要同样的时间，这实际上并不是关于光的物理本性的假定或假说，而是为了得出同时性的定义我根据自由判断所能作出的一种规定。”

显然，这个定义不仅能对两个事件的同时性，而且能对任意多个事件的同时性给出确切的意义，无论事件的发生地相对于参照物（这里是铁路路基）的位置如何。^注6由此我们也可以得出一种物理学中的“时间”定义。为此，我们设想把构造完全相同的钟放在铁轨（坐标系）的A、B、C诸点上，并校准它们，使其指针同时（在上述意义上来理解）指向相同的位置。于是，我们可以把一个事件的“时间”理解为放置在该事件（空间）最邻近处的那个钟的时间读数（指针位置）。这样一来，任何原则上可观测的事件都有一个时间值与之对应。

这一规定还包含着另一个物理学假说，如果没有相反的经验证据，该假说的正确性几乎不会被质疑，即人们假定，如果所有这些钟的构造完全一样，它们就会走得“同样快”。更确切地说：如果这样校准静止于参照物不同位置的两个钟，使其中一个钟的指针指着某一特定位置的同时（按照上述意义来理解），另一个钟的指针也指着相同的位置，那么相同的指针位置就总是同时的（按照上述定义来理解）。