同时的反义词

本文尝试用“同时”——这种直接描述运动的依据来建立光速时空中的运动学。所以首先要对“同时”的概念作出新的定义。

动体时空坐标和事件时空坐标是一回事吗？

在开始正式论述之前，先了解一下动体的时空坐标。

在伽利略变换中，物质质点（以下均称之为动体）以绝对空间为参照系进行绝对运动，采用的是绝对时间。这两点保证了在伽利略变换中动体的时间空间坐标是真实存在的（因为这种动体的时空坐标可以在不同参考系之间进行坐标变换，能够让各个观者达成共识）。这句话的深层含义是，伽利略变换变换的是动体的时空坐标，而不是事件的时空坐标。因为只有动体才是运动的主体，而运动正是物理学研究的课题。所以伽利略变换最初所表达的内容是动体的时空坐标在不同惯性系之间的变换。

一定要在此处划上重点线。这是时空理论的出发点，也是我们的出发点。

现如今我们所描述的伽利略变换变换的是什么？没错，是事件的时空坐标。

微小的差异带来翻天覆地的变化。

讨论伽利略变换，就一定会提到洛伦兹变换。

洛伦兹变换放弃了绝对时空，物体不再以绝对空间为参照系，而是物体与物体互为参照系作相对运动。

洛伦兹变换变换的是什么？

若变换的是在不同惯性参考系中动体的时空坐标，那这种动体的时空坐标的变换一定要求同时性（就像是伽利略变换最初的变换要求：此时此刻，t'=t且t=t'）。原因是动体的存在具有持续性，它一定会存在于某一个时间段中，如果在变换时，两个惯性系的时间不是同时，那么时空坐标的变换就失去了依据和衡量标准。若是心怀侥幸，要探讨两个惯性系的时间或许可以是同时，仔细分析一下，由于光速恒定，再加上狭义相对论中洛伦兹变换放弃了绝对时间，产生了同时性的相对性，所以根本不可能做到同时性变换。（本书证明了洛伦兹变换的依据不是同时）

怎么解决洛伦兹变换变换的是什么这个问题呢？

我们知道狭义相对论发展到闵氏四维时空阶段，洛伦兹变换被赋予了新的理论内容：

事件的时空坐标代替了动体的时空坐标。

洛伦兹变换的依据变成了闵氏时空中时空间隔不变。

结果伽利略变换也未能幸免，由描述动体的时空坐标变换变成了和洛伦兹变换一样：描述事件的时空坐标变换。

众所周知，在相对论中，事件的时空间隔不变，固有时不变，狭义相对论的核心公式是洛伦兹变换。由于洛伦兹变换是对事件的时空坐标进行变换，而不是对动体的时空坐标进行变换，因此相对论并不能直接描述动体的时空坐标及其变换。这让我们痛苦不堪，陷入千重迷雾之中。究其根源，仍是同时性的相对性。我们厌恶“同时”所具有的这样的性质。久而久之，这种情绪令我们开始质疑“同时”。没有错，一定是“同时”的定义出了问题。

物理学界认同了爱因斯坦的相对论时空观，但是并不推崇他在论文《论动体的电动力学》中关于洛伦兹变换的推导方法（本书作者没有看到采用此推导方法的教科书）。也许他的理论在狭义相对论部分最重要的是时空观。如果我们要走不同于爱因斯坦的路，那么关于“同时”的定义，就需要重新思考。

同时的定义是来源于时间，是用来比较事件发生先后顺序的方法中的其中一种评判方式。时间是描述变化的量。为了量化时间，人类发明了钟表，用钟表来精确计量时间变化。

“同时”的定义采用的是爱因斯坦所约定的“同时”。在《论动体的电动力学》中关于“同时”，在静系中，文中写到：

“下面两个关系是普遍有效的：

1．如果在B处的钟同在A处的钟同步，那么在A处的钟也就同B处的钟同步。(即双向性)

2．如果在A处的钟既同B处的钟，又同C处的钟同步的，那么，B处同C处的两只钟也是相互同步的。（即可传递性）

这样，我们借助于某些（假想的）物理经验，对于静止在不同地方的各只钟，规定了什么叫做它们是同步的，从而显然也就获得了“同时”和“时间”的定义。一个事件的“时间”，就是在这事件发生地点静止的一只钟同该事件同时的一种指示，而这只钟是同某一只特定的静止的钟同步的，而且对于一切的时间测定，也都是同这只特定的钟同步的。”

由此可见，《论动体的电动力学》认为在校对好标准钟的静系中，各处标准钟的指针读数（即时间）都是同步的，只要记录下事件发生时标准钟指示的时刻，再比较这些时刻，就可以知道事件的先后顺序，以及是否同时发生。

爱因斯坦采用的校准时钟的方法被称为端点校准法。

端点校准法：

端点校准法是依赖于光信号传播速度的各项同性，即光速不变。

端点校准法：异地相对静止两点A和B,当A的标准钟读数为t?时，从A向B发射一个光信号，设它到达B时，B上标准钟的读数为t?光信号到达B后立刻向A返回，再次到达A时，A上标准钟的读数为t?

若有

t?=?×(t?+t?)，则定义A和B上的标准钟同步，或者称A和B同时。

我们定义了相对静止的各点在时间上的同时，即调整各点标准钟到指针读数相同（初始设定相同）。由于各点标准钟的走时率均相同，所以此后各点会一直同时。

试着对爱因斯坦在《论动体的电动力学》中的“同时”进行分析。

为了准确计量时间，我们发明了钟表。为了沟通交流的需要，我们要事先约定好使用同样的时间及时间单位。那么异地之间为了统一时间，就必须要进行钟表的校对，爱因斯坦在《论动体的电动力学》中有着详细的描述。在此，我们要讨论的是在没有对表之前，各地的时间状态如何呢？答案是不知道。既不能说各地的时间同时，也不能说各地时间不同时。但无论如何，身处当地都有一个“现在”。

我们对表的目的是什么？就是把钟表的指针调整到同时且同步的状态。之前各地的时间状态都被忽略了，与我们无关了，各地的时间都在对表之后被约定为同时。这样，我们再次明确了一个事实：“同时”仅仅是一个约定。

若两点之间是相对运动的，根据狭义相对论的钟慢效应，对于这两点之中任意一点上的观者来说，两点标准钟的走时率不再相同，所以将无法实现在时刻上一直同时。

但是我们可以实现在某个时刻这两点上的标准钟同时。最简单的例子就是当运动中的两个点相遇，即在三维空间位置上重合时，我们将两个点标准钟调整到同一时刻。这样做的目的是将这一时刻作为初始设定，用来比较两个点标准钟的变化。

在现代物理学中，我们正是采用以上的方法来约定同时的。通过上文也不难看到这样约定同时有其局限性。同一个观者无法对所有被观者约定同时，在做相对运动的参考系之间，只能约定同地同时，而无法约定异地同时（关于无法约定具有相对运动的异地同时，本书在第一章第三节专门进行了证明）。这样的局限性让我们对“同时”的定义很不满意，并产生了质疑。

以上所写的内容都反映了这样一个问题：我们不满意“同时”的定义。

所以有必要尝试给“同时”寻找一个新的满足我们要求的定义。

让我们继续展开分析：

相对论中的洛伦兹变换是对事件的时空坐标进行变换，其主体是事件。

若我们研究的是运动，则变换的就应该是动体的时空坐标。而动体的时空坐标变换一定要求同时性。因为我们知道，动体是持续存在于某个时间段中的，即所谓的运动具有持续性。只有“同时”具有了绝对性，不同观者才可以“同时”看到同一时刻的同一个动体。但相对论却否定了同时性的绝对性。这个矛盾就显现出来了：对于“同时”，两者发生了严重的分歧。在经典绝对时空观中（伽利略变换）事件的时空坐标和动体的时空坐标这二者就是一回事（同时的绝对性），到了相对论时空观中（洛伦兹变换）却要明确区分二者（同时的相对性）。

为了寻找问题的答案，我们来复习一下历史上的时空观。

什么是经典绝对时空观？

绝对时空=绝对时间+绝对空间

时空是绝对的。

什么是相对论时空观？

绝对时空=相对时间+相对空间

时空依旧是绝对的。

正如闵可夫斯基所说，从此“孤立的空间和孤立的时间注定要消失成为影子，只有两者的统一才能保持存在。”

可见从伽利略、牛顿到爱因斯坦、闵可夫斯基，时空观的进化并非没有继承，只是有所发展。

“同时”是一个在绝对时间基础上建立起来的概念，它是为了比较时间位置的先后而产生的。两个事件在时间上进行比较，不是先后，就是同时。“同时”在时空观由绝对时空观进化到相对论时空观时出现了问题。用绝对时间建立的“同时”，具有双向性和可传递性。但是，在具有相对论效应的时空中，“同时”产生了相对性，即同时性的相对性。破坏了“同时”所具有的双向性和可传递性。那么我们还要不要这样定义的“同时”？如果要，就是“同时”定义依旧成立，只是具有了同时性的相对性这样的一个新的属性，而“同时”的双向性和可传递性不再总是成立，要受到时空条件限制。其实除了在极特殊的静止状态下，双向性和可传递性在绝大部分情况下已经无法适用了。

这给了我们一个提醒：

建立在绝对时间基础上的“同时”的定义是否依然成立？

“同时”是不是仅仅比较的是时间？

在《论动体的电动力学》中，我们会得出这样的经验来，在同一个惯性参考系中不同的观者们用标准钟对时间进行校正完成之后，那么同时就是比较标准钟的时刻，即标准钟的读数。

经过深刻的思考，我们意识到，在绝对时间下，为了比较时间的位置而定义了“同时”，那么又该怎么理解时间呢？没错，我们一直认为时间是用来表示某种变化的，是这种变化的抽象描述。把这种思想与“同时”相结合，“同时”就是为了比较“变化”的程度和位置而生。若这种变化仅仅是指时间变化，那么当时间是绝对的，则“同时”就是绝对的。当时间不再是绝对的，那“同时”就不再是绝对的，而且会出现同时性的相对性。要想维护“同时”的绝对性，就要跳出不再绝对的时间的概念，去寻找绝对的“变化”的概念。什么意思呢？一直以来，我们都是用时间来反应变化，但是传统意义上的时间并不能反应所有的变化。既然如此，我们就扩大寻找“变化”的范围。

还记得吗？

什么是绝对时空观？

绝对时空=绝对时间+绝对空间

时空是绝对的。

什么是相对论时空观？

绝对时空=相对时间+相对空间

时空依旧是绝对的。

这就是我们从历史经验中得到的宝贵财富：

时空的变化是绝对的。把“同时”的概念建立在时空变化的概念下，就会重新获得绝对的“同时”。

重新梳理一下思绪。

自古以来，为了比较变化的先后顺序，我们创造了“同时”。有了“同时”我们可以比较异地相对静止的变化的先后顺序。人类一直认为只要比较时间的变化就能比较出是否“同时”，但是同时性的相对性告诉我们，根本无法对异地相对运动的同时性进行比较。换句话讲，无法定义异地相对运动的“同时”。（此点本书已经证明）

关于“同时”，在二十世纪初有两条路摆在人类面前，爱因斯坦把同时性的相对性加入到“同时”的属性之中，并且选择性的使用“同时”所具有的双向性和可传递性。（有条件使用）

本书观点：

爱因斯坦认为自己发现了“同时”的新属性，并很快由此建立了狭义相对论。但是，他从来没有想到过还有另外一条路：承认“同时”的绝对性，继续保持“同时”的双向性和可传递性。那么如何实现这样的“同时”呢？

把“同时”所比较的变化由单一的时间变化扩展开来，上升为时空变化。我们现在已经知道，无论是绝对时空观还是相对论时空观，时空都是绝对的。那么用时空变化所定义的“同时”就一定是绝对的。(“同时”具有绝对性也反应出“现在”是存在的，而且是唯一的。)

为什么在现代物理学诞生之前人类觉得用时间来定义“同时”是完全正确的？原因是那个时候的时空观是绝对时空观，同时也具有绝对性。这种时空观和这样的“同时”都支持了“现在”的存在性和唯一性。所以在这一点上牛顿的时空观是自洽的。

在狭义相对论时空观出现后，若延续“同时”在绝对时空观中的定义，这种自洽就不存在了。“现在”变得不再唯一，甚至不好说到底存不存在“现在”。原因还是同时性的相对性。

狭义相对论效应只明显表现在接近光速的高速运动中。在考量狭义相对论效应时，我们来源于绝对时空观中的“同时”就不再好用了。因为爱因斯坦发现了同时性的相对性。难道“同时”真的具有“相对性”这样的属性？若“同时”变得不再“同时”，那还能叫“同时”吗？

我们换个思路，会不会是一开始我们就搞错了呢，不应该用时间来定义“同时”，而是用“变化”。“变化”包括时间变化和空间变化。如果这样定义“同时”，在低速情况下，空间变化的贡献可以忽略，比较“同时”近似于只比较时间变化。当处于近光速的情况下，就要即比较时间变化又要比较空间变化，也就是比较时空的变化。这才是“同时”本来的样子。(在这样的“同时”下，“现在”是既存在又唯一。)

对以上内容做个总结：

我们在分析了经典绝对时空观和狭义相对论时空观之后，发现在经典绝对时空观中，动体的时空坐标和事件的时空坐标可以等同，即使说是一回事儿也无不可。因为时空坐标变换的依据是“同时”，而“同时”是绝对的。在经典绝对时空观中，背景时空是欧几里德空间+绝对时间。我们知道，动体是持续存在于某个时间段中的，即运动具有持续性。但只要“同时”具有绝对性，那么不同观者就可以“同时”看到同一时刻的同一个动体。事件的时空坐标可以不区分于动体的某一时刻的时空坐标;但是在相对论时空观中，由于同时性的相对性，不同运动状态的观者无法“同时”看到同一时刻的同一个动体，因此事件的时空坐标和动体的时空坐标是不同的，需要明确予以区分。

再用历史的角度来分析。

以下观点是在两种时空观中达成共识的：历史是由事件组成的。

无数个事件组成的集合构成了历史，事件是构成历史的元素。事件的要素是时间坐标、空间坐标和事件内容。在经典绝对时空观中，在笛卡尔坐标系下，两个事件的空间间隔和时间间隔在不同观者的惯性参考系中变换时各自不变，把两者写成统一的和值形式，其和值形式也是个不变量。即历史具有不变性。此时我们甚至可以忽略事件最重要的要素——事件内容，直接把事件的时空坐标等价于事件本身。即时空坐标系中的每一个点都是一个事件，数学和物理在此处完美结合。狭义相对论时空观依旧认为时空间隔具有不变性，即历史是不变的。但是时空间隔的表达式改变了。背景时空也变成闵氏时空。但我们对历史的看法和认识并没有改变。由于光速不变原理，出现了同时性的相对性。“同时”不再绝对。动体的时空坐标和事件的时空坐标不再等同，甚至我们不再能够变换动体的时空坐标。自此，对于运动和历史(事件)的描述被迫分离开来了。我们不再能够直接的描述运动，只能描述历史(事件)。在两种时空观中，都承认时空是绝对的，历史是不变的。但是在经典绝对时空观中可以统一描述的动体的时空坐标和事件的时空坐标，而在狭义相对论时空观下由于同时性的相对性，这种描述被迫分开，而且不能直接对动体的时空坐标变换进行描述。至此，我们捋清了整件事的脉络：

经典绝对时空观中：

时间绝对；空间绝对；同时绝对；时空绝对；历史不变。

狭义相对论时空观中：

时间相对；空间相对；同时相对；时空绝对；历史不变。

一目了然，问题出在了同时性的相对性。

从经典绝对时空观到狭义相对论时空观，时间由绝对的变成了相对的，依据时间概念建立的同时概念也变成了相对的。同时是比较变化的一种方式，考虑到时间不再能够反映出时空的全部变化，那么就可以考虑把同时的概念建立在具有绝对性的时空的基础上，让同时变成比较时空变化的一种方式，时空是绝对的，那么同时也再次是绝对的。这样一来，关于运动和历史的描述将再次获得统一。

若把同时建立在时空的基础上，由于时空的四维性，同时只能在四维时空的形式下保持绝对性，即拥有双向性和可传递性。称之为四维同时，也叫做时空同时。

在四维时空中，时间是一维的，空间是三维的。单纯强调和比较观者时间和被观者一维时间的“同时”，是片面的和不确切的。物质在四维时空中具有绝对运动。其中惯性观者的四维时空运动等于他的时间运动（观者认为自己空间静止）。但是被观者的四维时空运动被分解成一维时间运动和三维空间运动。所以用观者的时间和被观者的时间进行比较，就是用观者的四维时空运动和被观者的一维时间运动做比较，必然得到观者的四维时空运动大于被观者的一维时间运动。

即公式：

观者的四维时空运动（观者时间）＞被观者的一维时间运动

怎样比较才公平合理呢？

重新书写这个公式如下：

观者的四维时空运动=观者的一维时间运动+观者的三维空间运动

因为观者在空间静止，

所以观者的三维空间运动=0

因此观者的四维时空运动=观者的一维时间运动

被观者的四维时空运动=被观者的一维时间运动+被观者的三维空间运动

四维同时性体现在如下表达式上：

观者的四维时空运动=被观者的四维时空运动（恒等式）

所以得到综合结论：

由于空间运动的相对性，惯性观者会认为自己在空间中是处于静止状态。

当惯性观者使用自己独有的“同时”作为观测依据时，就会出现尺缩钟慢等相对论效应。这些效应是无法和其他观者达成共识的。我们尝试用下面的公式来阐述这些效应的本质：

观者的“一维时间”运动=被观者的一维时间运动+被观者的三维空间运动

这就是被观者时间变慢的原因。根据上面这个公式，可以称观者的时间为四维时间。即：

观者的四维时间运动=被观者的一维时间运动+被观者的三维空间运动

有了四维时间，就可以很好的理解四维同时。

四维同时是运动位置的“同时”，即这个“同时”是物体运动的“同时”，是时空坐标的“同时”，而不是静止事件的“同时”。事件的“同时”只比较一维时间的“同时”。

由于新定义的“同时”，是建立在四维时空绝对变化的基础上，所以可称之为“四维同时”或者“时空同时”。

接下来，我们将结合光速时空的两个假设，即：

被观者的历史唯一：任何参考系的观者都会观测到同一个被观者的历史是相同且唯一的。

在任意指定观者的情况下，在光速时空中，任何物质均以恒定光速c相对于自己的时空线在运动。

下面将写出“四维同时”的数学表达式。

四维同时示意图如下：

运动中的一部分。我们知道根据历史唯一原理，任何观者观测动体b的这段历史，都会观测到同样的结果。即c'ta是个坐标变换不变量。在第三章我们已经证明这个变换在光速时空中满足时空坐标变换。（在闵氏时空中满足洛伦兹变换）。

在相对运动的最简情形之下，只要指定一个观者，他在观测动体b的历史c'ta段时，这段历史的长度就是不变的。我们即可以依据此观者和动体b的相对速度V计算出两者之间的空间相对运动vta，并且通过时间运动（历史c'ta段）和空间运动vta计算出b的时空线等于观者的时空线cta，从而来证明两者处于四维同时；又可以反过来，依据四维同时得到两者的时空线等长cta，再依据空间运动vta计算时间运动c'ta或者根据时间运动c'ta计算空间运动vta.