BBC英国皇家科学院圣..

时间之箭 尼尔·约翰逊 19991. 时间旅行是否有可能？2. 光波的运动有多快？3. 光阴流逝的差别是如何产生的？4. 原子跃迁的过程是怎样的？约翰逊的讲座探讨了一些最精深的问题，也许可以涉及我们对世界的体会。我们是这样长大的：我们理解时间的基本机制，一台时钟的所谓稳定的特性，就是当时间过去一秒，它也会走过一秒。然而物理学中的发现，尤其是过去的20世纪及其前后的发现，让一切都发生了彻底的改变。我们将会看看，改变你感受到的时间的速度是否有可能实现，并正面解决一个或许可以被称作最大难题的难题：时间旅行是否有可能？约翰逊这样开始了他的第一场讲座：“1999年是非常特殊的一年……因为它不仅是千年之交，同时是皇家科学院成立200年之年。所以，还有什么主题比讨论时间更合适呢……在本系列讲座中，我们将会发现，对于‘时间究竟是什么’这个问题，这200年的科学发展彻底改变了我们的认识……我们将会看到，我们如何通过观察光波，得到了有关时间本身的一些变革性发现。”我们可以将光想象成一种波，具有上上下下振动的重复性图案，就像我们在海滩上可以看到的那种波浪。然而，光波的传播究竟有多快？约翰逊邀请听众席中一个名叫海伦（Helen）的女孩帮助他做一个验证，道具包括一台微波炉以及一些棉花糖。微波炉发射的微波是一种形式的光，类似无线电波还有我们肉眼能看到的可见光。约翰逊向微波炉中放了一盘棉花糖，而炉中的转盘早已被移除。微波炉的烹饪方式并不均匀，发射出的微波会在一些位点上下移动，这些地方就会蕴含更多能量，但其他部分就不会有这么多，这就在炉内造成了一些“热点”。当棉花糖被取出后，很容易看出，有一些已经被熔化而其他的一些还没有。“真的可以看到一幅图案。”约翰逊说道。相邻两条熔融棉花糖带之间的距离，就等于微波波长的一半。借助一把尺子，海伦计算了糖带之间的距离约为0.12米。将这一结果与微波振动的频率相乘就可以得到速度。幸运的是，微波炉的背后就写有频率数值2450兆赫（每秒24.5亿次振动）。海伦在计算器上将上述两个数字相乘之后，得到每秒2.94亿米的结果。约翰逊展示了一张卡片，上面写的是公认的光速数值，即每秒3亿米。“事实证明，海伦不仅计算出了光速，她还算出了宇宙中移动速度最快的事物。”约翰逊说，“这个发现的故事实际上是科学中最伟大的革命之一……并且它告诉我们一些事，这些事彻底让时间发生了变革。”这便是阿尔伯特·爱因斯坦的工作。“光速的问题让他很发愁。”约翰逊讲道。爱因斯坦得出结论，认为光速对所有观测者来说都是一样的，“不管你坐在这儿，还是正乘坐大巴回家，又或是你坐在‘进取号’星舰（译注：著名科幻电影《星际迷航》中一艘星舰的名称）上。在他提出这一想法之后，已经被操作过的每一个实验似乎都证实，光速对所有观测者来说都是一样的”。爱因斯坦有关光速的一些观点，对我们理解时间来说有着意义深远的暗示作用，而我们之所以能看到这一点，还需要感谢另一位志愿者鲁比（Ruby）参与了实证。她盘腿坐在一辆木制的小车上，手中握有一只球，而球的内部有盏灯，代表光线的一个脉冲。她先是上上下下地扔着球，不过随后约翰逊便拉着车在地面上移动，而摄像机镜头一直跟随着球中发出的光。我们看到球正在沿着锯齿形的波状轨迹运动。“某种奇怪的事情发生了——我们看到了与鲁比眼中不同的现象。鲁比坐在推车中，（对她来说）球在不变的距离上运动……上上下下，不管她是固定不动，还是我拉着她运动，都是如此。然而，对我们来说……球不仅会上下运动，也在跟着向前走——它运动的距离更远。”还记得这颗球是代表光的脉动吧？而我们刚刚同意光速对所有观察者来说都是固定的，而速度等于距离除以时间。“那么如果速度保持不变而距离却不同了……那么时间对鲁比和和我们来说就势必不等同了。”约翰逊说道，“现在这问题开始让人大开眼界了。”“想象一下鲁比还有一个双胞胎姐妹。鲁比乘坐一艘太空飞船离开了很多年，（然后）又回来了。鲁比在太空飞船上计算的时间，与她的孪生姐妹在地球上计算的时间可不同。”对鲁比来说，消逝的时间更短，因此当她回到家时，会发现她现在比她的孪生姐妹要年轻，尽管她们出生在同一天。“光阴流逝的不同，取决于你是如何运动的。”约翰逊说，“这太奇幻了，所以我觉得我们应该仔细验证，看看是不是真的如此。”英国国家物理实验室的约翰·莱弗蒂（John Laverty）带着他的“同卵双胞胎”来到了现场，那是一对高度精确的原子钟。莱弗蒂在我们面前将它们进行同步，这样就会显示同样的时间，只有四十亿之一秒的误差。“约翰，如果我们带上其中一台钟来一次旅行再带着它回来，那么到最后一场讲座时，我们是否能够证明爱因斯坦的理论？”约翰逊问道。“没错。”莱弗蒂说道。“那么，这里有几张飞往上海的机票，带上你的钟，让我们看看爱因斯坦说的对不对。”最终，莱弗蒂的助手给原子钟安排了属于它自己的座位，搭乘了航班。