8．物理學的時間觀
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在我們的鐵路路基上彼此相距相當遠的兩處Ａ和Ｂ，雷電擊中了鐵軌。我再補充一句，這兩處的雷電閃光是同時發生的。如果我問你這句話有沒有意義，你會很肯定地口答說，&ldquo有&rdquo。但是，如果我接下去請你更确切地向我解釋一下這句話的意義，那麼你在考慮一下以後就會感到回答這個問題并不象乍看起來那樣容易。
經過一些時間的考慮之後，你或許會想出如下的回答：&ldquo這句話的意義本來就是清楚的，無需再加解釋；當然，如果要我用觀測的方法來确定在實際情況中這兩個事件是否同時發生的，我就需要考慮考慮。&rdquo對于這個答複我不能感到滿意，理由如下，假定有一位能幹的氣象學家經過巧妙的思考發現閃電必然總是同時擊中Ａ處和Ｂ處的話，那麼我們就面對着這樣的任務，即必須檢驗一下這個理論結果是否與實際相符。在一切物理陳述中凡是含有&ldquo同時&rdquo概念之處，我們都遇到了同樣的困難。對于物理學家而言，在他有可能判斷一個概念在實際情況中是否真被滿足以前，這概念就還不能成立。因此我們需要有這樣一個同時性定義，這定義必須能提供一個方法，以便在本例中使物理學家可以用這個方法通過實驗來确定那兩處雷擊是否真正同時發生。如果在這個要求還沒有得到滿足以前，我就認為我能夠賦予同時性這個說法以某種意義，那麼作為一個物理學家，這就是自欺欺人（當然，如果我不是物理學家也是一樣）。（請讀者完全搞通這一點之後再繼續讀下去，〕
在經過一些時間的思考之後，你提出下列建議來檢驗同時性，沿着鐵軌測量就可以量出連線ＡＢ的長度，然後把一位觀察者安置在距離ＡＢ的中點Ｍ，這位觀察者應備有一種裝置（例如相互成９０度的兩面鏡子），使他用目力一下于就能哆既觀察到且處又觀察到Ｂ處。如果這位觀察者的視神經在同一時刻感覺到這兩個雷電閃光，那麼這兩個雷電閃光就必定是同時的。
對于這個建議我感到十分高興，但是盡管如此我仍然不能認為問題已經完全解決，因為我感到不得不提出以下的不同意見，&ldquo如果我能夠知道，觀察者站在Ｍ處賴以看到閃電的那些光，從且傳播到Ｍ的速度與從日傳播到Ｍ的速度确是相同，那麼你的定義當然是對的。但是，要對這個假定進行驗證，隻有我們已經掌握測量時間的方法才存可能。因此從邏輯上看來我們好象盡是在這裡兜圈子。&rdquo
經過進一步考慮後，你帶着些輕蔑的神氣瞟我一眼（這是無可非議的），并宣稱，&ldquo盡管如此我仍然維持我先前的定義，因為實際上這個定義完全沒有對光作過任何假定。對于同時性的定義僅有一個要求，那就是在每一個實際情況中這個定義必須為我們提供一個實驗方法來判斷所規定的概念是否真被滿足。我的定義已經滿足這個要求是無可争辯的。光從Ａ傳播到Ｍ與從Ｂ傳播到Ｍ所需時間相同，這實際上既不是關于光的物理性質的假定，也不是關于光的物理性質的假說。而僅是為了得出同時性的定義我按照我自己的自由意志所能作出的一種規定。&rdquo
顯然這個定義不僅能夠對兩個事件的同時性，而且能夠對我們願意選定的任意多個事件的同時性規定出一個确切的意義，而與這些事件發生的地點相對于參考物體（在這裡就是鐵路路基）的位置無關，由此我們也可以得出物理學的&ldquo時間&rdquo定義。為此，我們假定把構造完全相同的鐘放在鐵路線（坐标系）上的Ａ、Ｂ和Ｃ諸點上，并這樣校準它們，使它們的指針同時（按照上述意義來理解）指着相同的位置。在這些條件下，我們把一個事件的&ldquo時間&rdquo理解力放置在該事件的（空間）最鄰近處的那個鐘上的讀數（指缽所指位置）。這樣，每一個本質上可以觀測的事件都有一個時間數值與之相聯系。
這個規定還包含着另一個物理假說，如果沒有相反的實驗證據的話，這個假說的有效性是不大會被人懷疑的，這裡已經假定，如果所有這些鐘的構造完全一樣，它們就以同樣的時率走動。說得更确切些：如果我們這樣校準靜止在一個參考物體的不同地方的兩個鐘，使其中一個鐘的指針指着某一個特定的位置的同時（按照上述意義來理解），另一個鐘的指針也指着相同的位置，那麼完全相同的&ldquo指針位置&rdquo就總是同時的（同時的意義按照上述定義來理解）。
經過一些時間的考慮之後，你或許會想出如下的回答：&ldquo這句話的意義本來就是清楚的，無需再加解釋；當然，如果要我用觀測的方法來确定在實際情況中這兩個事件是否同時發生的，我就需要考慮考慮。&rdquo對于這個答複我不能感到滿意，理由如下，假定有一位能幹的氣象學家經過巧妙的思考發現閃電必然總是同時擊中Ａ處和Ｂ處的話，那麼我們就面對着這樣的任務，即必須檢驗一下這個理論結果是否與實際相符。在一切物理陳述中凡是含有&ldquo同時&rdquo概念之處，我們都遇到了同樣的困難。對于物理學家而言，在他有可能判斷一個概念在實際情況中是否真被滿足以前，這概念就還不能成立。因此我們需要有這樣一個同時性定義，這定義必須能提供一個方法，以便在本例中使物理學家可以用這個方法通過實驗來确定那兩處雷擊是否真正同時發生。如果在這個要求還沒有得到滿足以前，我就認為我能夠賦予同時性這個說法以某種意義，那麼作為一個物理學家，這就是自欺欺人（當然，如果我不是物理學家也是一樣）。（請讀者完全搞通這一點之後再繼續讀下去，〕
在經過一些時間的思考之後，你提出下列建議來檢驗同時性，沿着鐵軌測量就可以量出連線ＡＢ的長度，然後把一位觀察者安置在距離ＡＢ的中點Ｍ，這位觀察者應備有一種裝置（例如相互成９０度的兩面鏡子），使他用目力一下于就能哆既觀察到且處又觀察到Ｂ處。如果這位觀察者的視神經在同一時刻感覺到這兩個雷電閃光，那麼這兩個雷電閃光就必定是同時的。
對于這個建議我感到十分高興，但是盡管如此我仍然不能認為問題已經完全解決，因為我感到不得不提出以下的不同意見，&ldquo如果我能夠知道，觀察者站在Ｍ處賴以看到閃電的那些光，從且傳播到Ｍ的速度與從日傳播到Ｍ的速度确是相同，那麼你的定義當然是對的。但是，要對這個假定進行驗證，隻有我們已經掌握測量時間的方法才存可能。因此從邏輯上看來我們好象盡是在這裡兜圈子。&rdquo
經過進一步考慮後，你帶着些輕蔑的神氣瞟我一眼（這是無可非議的），并宣稱，&ldquo盡管如此我仍然維持我先前的定義，因為實際上這個定義完全沒有對光作過任何假定。對于同時性的定義僅有一個要求，那就是在每一個實際情況中這個定義必須為我們提供一個實驗方法來判斷所規定的概念是否真被滿足。我的定義已經滿足這個要求是無可争辯的。光從Ａ傳播到Ｍ與從Ｂ傳播到Ｍ所需時間相同，這實際上既不是關于光的物理性質的假定，也不是關于光的物理性質的假說。而僅是為了得出同時性的定義我按照我自己的自由意志所能作出的一種規定。&rdquo
顯然這個定義不僅能夠對兩個事件的同時性，而且能夠對我們願意選定的任意多個事件的同時性規定出一個确切的意義，而與這些事件發生的地點相對于參考物體（在這裡就是鐵路路基）的位置無關，由此我們也可以得出物理學的&ldquo時間&rdquo定義。為此，我們假定把構造完全相同的鐘放在鐵路線（坐标系）上的Ａ、Ｂ和Ｃ諸點上，并這樣校準它們，使它們的指針同時（按照上述意義來理解）指着相同的位置。在這些條件下，我們把一個事件的&ldquo時間&rdquo理解力放置在該事件的（空間）最鄰近處的那個鐘上的讀數（指缽所指位置）。這樣，每一個本質上可以觀測的事件都有一個時間數值與之相聯系。
這個規定還包含着另一個物理假說，如果沒有相反的實驗證據的話，這個假說的有效性是不大會被人懷疑的，這裡已經假定，如果所有這些鐘的構造完全一樣，它們就以同樣的時率走動。說得更确切些：如果我們這樣校準靜止在一個參考物體的不同地方的兩個鐘，使其中一個鐘的指針指着某一個特定的位置的同時（按照上述意義來理解），另一個鐘的指針也指着相同的位置，那麼完全相同的&ldquo指針位置&rdquo就總是同時的（同時的意義按照上述定義來理解）。