山中方一日 世上几多年

这是一个神仙故事〖注〗：传说一个樵夫进山砍柴，见两神仙对弈，看得忘了时间，等神仙下完棋，发现自己手里的斧把已经烂掉了。待他回到人间，与他同时代的人都已经没有了。于是，有了“山中方一日，世上已千年。”的说法。（有的版本，“山中”作“洞中”；“一日”作“七日”。）

神仙传说，是久远时代的故事。二十世纪初，爱因斯坦确立了相对论。相对论(狭义相对论，下同) 的一项推论：观测一个等速运动的物体，尺度会缩短，时光会延缓(变慢)。不只是科幻小说，现代的物理书本，也有“山中方一日，世上已千年。”的例子：如果一艘太空船用0.999倍的光速离开地球，太空人在太空1年，地球上的人就过了22年。等太空人再用1年的时间回到地球，他的同时代人都老了44岁。至于他本人，在太空只是两年而已。因此，“太空一两年，世上几十岁”，太空人像是踏进入了仙界。

据说，相对论出现后，世界上只有三个人懂得相对论。现今，许多科学领域，都有熟悉相对论的学者。我们设想三维空间，很是费劲；想象四维时空，更要竭尽心力；要用二维图像，探视时空的世界线，头脑会闹罢工。因此，下面不谈多维时空，只是约略讲述相对论的两个公理。

相对论认为，世界上没有绝对的“静止”。地球不断在自转和绕太阳公转，地球所属的星际又不断地在宇宙扩展，物质都在运动。当两个物体相对速度是零的时候，可以说，其中一个物体相对另一个物体是“静止”的。相对论的第一公理：相对于观测者做等速运动的系统，所有物理定律都相同。类似牛顿的惯性定理，相对观测者做等速运动的系统，叫做惯性系统。所有物理定律都在惯性系统里一致：在等速运动中的火车，一切物理定律都和观测者在地上观测的一样；在等速运动中的太空舱里，所有物理定律也和地面上一样。

相对论的第二公理：不论光源的运动，光在真空里的传播速率都一样。即，光在任何惯性系统里的传播速度都是同一个常数(3×10⁸m/s)。光速是传播速率的极限。光速不是无穷大，光的传播需要时间。在两个惯性系统之间对比时间，结果不会完全一致。根据相对论的推算，对于相对运动的惯性系统，观测到的时间会延缓。对于相对运动较小的系统，时间延缓不多，近于相等。相对运动是0.5倍光速以上的系统，时间有着显著的不同。

回到上面太空人的例子。假如太空人可以用0.999倍的光速离开地球，接着又用0.999倍的光速回返地球，叠加观测结果，地球人老多42岁。由于运动是相对的，太空人的太空船离开地球，地球人也相对的以0.999倍的光速离开太空船；当太空船回返地球时，地球人也相对的以0.999倍的光速趋向太空船。由太空人当观测者，他会比地球人老多42年。那么，由地球人说，他老多42岁；由太空人说，他也老多42年。谁是谁非？老多42年岁，是在相对运动时观测得到的结果。要进一步确证，两人得会头。可是，两人只有同时进入仙境，才能立即面对面相对“静止”。到时一看，说不定大家都老了相同的年岁。

太空人一下子就用0.999倍的光速离开地球，是件神化的事。更神奇的是，用0.999倍的光速离开地球的太空船，能够立即用0.999倍的光速回返地球。期间的方向回返，难道只需0年？即便如此，太空船从一个方向，倒回相反方向，速度改变了约2倍光速，需要有神速的动力。太空人必需具备神仙的体质，才能承受得住偌大的冲击。

相对论说时间延缓，前提是两个系统在做相对运动。说地球人老多42岁，说太空人老多42年，是两人做相对运动时观测的结果。两人不是相对“静止”。各人都是以自己为主体，观测对方的时间。两个系统间的观测终归要靠光波来传播，光的传播会延缓时间的流逝。

“山中方一日，世上已千年”，本来就是神话故事。太空人回归地球“变”年轻，只是科幻小说的趣味题材，俗人在现世里见不到。

2012-5-15

〖注〗：《烂柯人》的传说，历代有稍微不同的记载。其一：南朝梁人任防(460年-508年) 的《述异记》：“信安郡石室山，晋时樵者王质伐木至。见童子数人棋而歌，质因听之。童子以一物于质，如枣核，质含之不觉饥。俄顷，童子谓曰：‘何不去？’质起视，斧柯烂尽，既归，无复时人。”