爱因斯坦：达到光速则时间静止，那要是超过光速，时间会倒流吗？

20世纪初，还是瑞士专利局一名小职员的爱因斯坦，发表了划时代的狭义相对论和广义相对论。

从那以后，时间、引力、光速等一系列曾经被视作天经地义的概念，开始被人们重新审视，自牛顿以来蓬勃发展了两百多年的经典物理学，也开始逐渐让位于现代物理学。

而在这些颠覆性的成果中，对人类内心冲击最大的，就是关于时间的全新表述——时间并不是绝对的，它可以变慢，可以拉长，甚至在极端条件下停滞。

爱因斯坦年轻的时候特别喜欢读书，他阅读过许多庞加莱的著作。

庞加莱是继高斯和黎曼之后，世界上最伟大的数学家之一，他的许多工作对相对论的提出产生了重要影响，甚至一度有人认为庞加莱才是相对论真正的提出者。同时，庞加莱也是一位科学哲学家，他曾经写过一本小册子《科学与假设》。

在这本书里，庞加莱提出了一个看似平凡、实则深刻的问题：想把两个不在一起的时钟对齐，并不是一件容易的事。

比如在北京有一个钟表，在上海有另外一个钟表，如何才能把两个钟表对准呢？

这里需要注意，不能用"打开电脑查询标准北京时间"来回答，因为能够用电脑查询标准北京时间的前提是，我们的确有方法对齐不同地点的时钟，而我们所问的正是这种对钟的方法究竟是什么。

也许有人会想到，先在北京把两个时钟对好，然后再把其中一个搬到上海去。然而，在移动的过程之中，谁也不能保证时钟的走时不发生任何变化。当它被送到上海的时候，未必还能和北京的那一台保持同步。

对于这个问题，庞加莱提出过一种巧妙的猜想。他认为，应该通过一种"约定"来解决时钟的对齐问题。

最简单的约定就是：光速向各个方向都相同，而且保持不变。假如我们想对齐北京和上海的时钟，可以按照这样的方法进行：找到北京和上海连线的中点M，然后从M点同时向北京和上海发光。

由于我们约定光向各个方向的速度都一样，所以两束光就一定能够同时到达北京和上海。当两地各自接收到光的时候，就把当地的钟调零，这样两地的时钟便对齐了。

庞加莱堪称一位伟大的哲学家。他对我们司空见惯的"同时性"提出了质疑，而且还敏锐地想到，通过约定光速不变，就能对准两个不同地点的时钟，得到同时性。

庞加莱的猜想直接启发了年轻的爱因斯坦。爱因斯坦在此基础上又向前迈进了一大步，他指出：光速在任何惯性参考系中都保持不变，这就是著名的光速不变假设。

根据这个假设可以推出一个非常反直觉的结论——绝对的时间是不存在的。爱因斯坦在自己的书中用一个闪电劈火车的例子说明了这个道理，我们把这个例子稍作修改，使之更加方便理解。

设想有一辆疾驰的高铁，其中有一节餐车。在餐车的头部和尾部，各坐着一位乘客准备用餐。侍者站在车厢正中央点亮了一盏灯，这盏灯会同时向前方和后方发出光线。当两名乘客看到灯光的时候，就开始用餐。

因为两名乘客到侍者的距离是一样的，而光的传播速度也是一样的，所以在车厢中的人看来，两名乘客是在同一时刻开始用餐的。那地面上的道岔工又会如何看待这件事呢？

在侍者打开灯的一瞬间，向前和向后的光速依然是相同的，绝对不会因为火车在运动而造成某个方向的光速更快。车尾的乘客随着火车向前运动，正好在迎接灯光；而车头的乘客虽然也向前运动，却是在背离灯光而去。

显然，在距离相同的情况下，迎接灯光而来的车尾乘客会更早收到光。所以，在地面上的道岔工看来，车尾的乘客先开始用餐，车头的乘客后开始用餐。

也就是说，火车上的侍者认为同时发生的两件事，地面上的道岔工却认为是一先一后发生的。同时性具有相对性——在一个参考系下同时发生的事，换一个参考系就会一先一后。

因此，宇宙中并不存在一个统一的、永恒流逝的时间。紧接着，爱因斯坦又指出：既然时间具有相对性，那么空间尺寸也一定具有相对性。

像欧几里得几何中那种刚性的、绝对不变的长度，是不存在的。你想想看，如果你要测量一列火车的长度，就需要一把尺子放在火车旁边，同时读出火车头部和尾部对齐的刻度，然后把两个读数相减得到长度。

但是，除非这把尺子和火车相对静止，你读首尾两个刻度的时间才可以不一样；否则，假如火车正在飞奔，你就必须同时读出两个刻度，才能准确测出火车的长度。可我们已经知道，同时性是跟参考系有关的：在某个参考系里同时发生的事，换一个参考系就不再同时。

这样一来，火车的长度也就跟观察者所在的参考系有关了。爱因斯坦进一步说，麦克斯韦方程组计算出的光速是恒定的，我们又假设光速在所有参考系下都是一样的，所以理应认为麦克斯韦方程组在所有惯性参考系下都是成立的。

而伽利略早就告诉我们，力学规律在不同参考系下都是相同的。既然如此，我们干脆假设：所有的物理规律，在所有的惯性参考系下都具有相同的形式。

这就是爱因斯坦的另一个基本假设——相对性原理。从这两条假设出发，就能推导出一整套时间和空间彼此耦合的新规律，也就是后来的洛伦兹变换。

之所以叫洛伦兹变换，是因为这个数学形式最早是洛伦兹提出的。他为了解释迈克尔逊-莫雷实验，提出了物体在运动方向上长度会收缩的假说，甚至还得出了正确的公式。

只可惜洛伦兹认为，这种收缩是物体在绝对空间中真实发生的物理压缩，他甚至还带着学生去研究收缩过程中电荷密度的变化会造成什么影响。但我们之后就会看到，这种收缩并不是物体在时空中的实际收缩，而只是因为观察者所处的时空角度不一样了。

如果对牛顿时空观的问题作一总结，其症结就在于：牛顿假设存在一个绝对静止的空间和一个永恒流逝的时间。

使用力学规律，我们没有办法找到绝对静止的空间，当然也没有办法反驳它；而有了电磁学规律之后，我们本以为能够找到绝对空间了，但相关的实验却接连失败。于是，爱因斯坦大胆修改了牛顿的假设：绝对的不是时间和空间，而是真空中的光速。

不管你在什么参考系中，真空中的光速都恒定不变，无论是力学规律还是电磁学规律，也都是不变的。这样一来，我们就要承认：时间和空间都和运动有关，都是可变的，绝对时空并不存在。

由此推出的一系列结论，在直觉上都相当"离经叛道"。比如在地面上看，运动的火车长度会收缩，如果速度接近光速，长度就会收缩成零；在地面上看，运动的火车里的时间会变慢，如果速度接近光速，时间就会几乎停滞。

这就是我们通常所说的"时间膨胀"效应——速度越快，时间越慢；引力越强，时间也越慢。由于运动是相对的，火车上的人看地面，也同样会有长度收缩和时间变慢的现象。

当我们跑起来，整个宇宙中的每一个星系、每一颗星球、每一个生命、每一个原子的尺寸都发生了变化；而当我们停下时，一切又恢复了原状，就好像什么都不曾发生。

而且，这一切变化都是针对"我"这名观察者而言的，对另一个以其他速度运动的观察者来讲，宇宙又会是另一番景象。于是有人会疑惑：我们一旦运动起来，整个宇宙的时间和空间似乎都要跟着发生变化；而我们一停下，时空又会恢复如初。

难道一个人的奔跑，真的有这么大的能量能够改变整个宇宙吗？关于这个问题，答案其实并不是"我改变了宇宙"，而是"我改变了自己观察宇宙的角度"，这一点将在后续的讨论中再作详细说明。

以光速飞行时时间为什么会静止？因为当速度趋近光速时，运动者的钟相对于静止观察者会越走越慢，在光速这个极限上，两次滴答之间被拉伸成了无限长——从外部看去，那只表就像被永久按下了暂停键。

至于超过光速时间是否会倒流，狭义相对论给出的回答是：任何带有质量的物体都不可能被加速到光速，更不用说超过光速，因为随着速度趋近光速，所需能量会趋于无穷。因此"超光速回到过去"在狭义相对论的框架内并不是一条可以走通的路。

不过，物理学并没有把大门完全关死。广义相对论允许时空自身被剧烈弯曲，形成所谓的虫洞。

通俗来说，一个典型的虫洞连接的并不是银河系和仙女座星系两个地点，而是现在的银河系和几万年前、或者几万年后的仙女座星系两个时空点。

根据量子理论的推测，这种连通时间和空间的微型虫洞在量子领域中可能是广泛存在的，只不过以人类目前的技术水平，暂时还无法把它稳定地放大和利用。

所以，"时间静止"是相对论已经明明白白告诉我们的事实，而"时间倒流"则还悬在理论的边缘，既没有被彻底证伪，也从未被真正实现。

爱因斯坦当年颠覆的，不只是几条公式，而是人类看待时间与空间的整套方式。

当我们再次抬头看向星空，看到的其实是几万年、几百万年前的光——从这个意义上说，时间的"倒流"，其实每一个凝望夜空的夜晚，都在我们眼中悄然发生着。