§42-4 时空中的几何学

现在我们得谈谈关于时间的问题。从狭义相对论知道,空间的测量和时间的测量是互相联系的。在空间发生某件事,而同一件事中又不包含时间,这可是一种古怪的想法。你可能记得时间的测量值与你的运动速率有关。例如,如果我们看见飞船中一个人从旁边经过,则我们知道,对他来说发生的事情比对我们而言要慢。我们说,根据我们的 ,他出去旅行恰好经过100s返回,但按照他的表或许只用去了95s。与我们的表相比,他的表——以及所有其他过程,像他的心脏跳动——都进行得较慢。

现在我们来考虑一个有趣的问题。假定你位于一飞船中,我们要求你在发出某个信号时出发,而当你返回到你的出发点时恰巧赶上第二个信号——比如说按照我们的钟正好过了100s。另外,要求你用这样的方式做往返运动,使在这过程中你的表显示所用去的时间尽可能最长 。试问你应该如何运动?你应该站着不动。如果你稍微有点运动,则返回时你表的读数肯定少于100s。

然而,假定我们把问题做一点变动。假定要求你在某个信号时从点A出发走向点B(这两点对我们而言是固定的),而后以同样的方法返回,恰好在第二个信号(比如说按我们固定的钟为100s后)时回到原地。仍要你用这样的方法做往返运动,使得你表上的读数尽可能大。你应该怎么做?要用什么样的路径和什么样的程序你的表才会显示出你到达时耗费的时间最多?答案是:如果你以匀速沿直线往返,则从你的观点来看将耗费最多的时间。理由在于:任何额外的运动和任何超高速运动都将使你的钟变慢(既然时间差决定于速度的平方 ,那么你在一处走得过快而失去的时间,永远也不能通过在另一处走得过慢而得到补偿)。

总之,这就是我们在时空中定义“直线”所能够使用的概念。时空中沿恒定方向的匀速运动 与空间中的直线相类似。

空间中最短距离的曲线与时空中相对应的并不是最短时间的路径,而是最 时间的路径,这是由于相对论中t-项符号所引起的怪事。于是,“直线”运动——类似于“沿直线的匀速运动”——就是以这种方式进行的运动,它使表在某个时刻从某个地方出发,在另一时刻到达另一地方的运动中给出最大的时间读数。这就是时空中类似于直线的定义。