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时间的本质

时间是什么?

每个人都知道什么是时间。我们几乎可以感觉到它滴答作响,在可怕的规律性的按照顺时针上前进。时间已经奴役了世界,成为我们最珍贵的商品。但是到了物理学家那里,它开始变身,扭曲,甚至让人崩溃。无法深究的是,到底什么是时间呢?

天文学

对许多历史时期的人来说,这是自然节奏的代名词;季节的变换和天体运行的周期。如果说这个想法今天看起来很天真,这不仅是因为现代时钟是无限精确的时间守护者,这也是因为我们已经把时间想成一个普遍的东西,即使所有的时钟,天体或人造的都停止了,时间还是将继续前前进,流逝。

物理学

-牛顿的绝对时间

绝对时间,对于所有观察者来说都是可测量的和相同的概念,被牛顿最简洁地表达出来::“绝对的、真实的数学时间,就其自身及其本质而言,是永远均匀流动的,它不依赖于任何外界事物。”

-爱因斯坦的时间

运动

“爱因斯坦表明,没有一个世界统一时间,”戴维斯解释说。“你的时间和我的时间取决于我们的移动速度。换句话说,两个事件之间的间隔时间可以根据在事件之间的移动的速度而变化。”

想象两个观察者,一个在火车上,一个在静止。火车上的旅行者举着火炬垂直向上发送一束光。旅行者的视图显示在左边:光束垂直向上。静态观察者的视图如右图所示:光束和火车天花板的位置在开始和结束时分别以黑色和蓝色显示。光束沿对角线行进。因为静止的观察者认为光束不仅仅只有垂直速度,也应该有与火车相同水平速度。

根据爱因斯坦假设的时间隧道效应,光速在所有观察者眼中是不变的,无论他们移动的多快。因为两个观察者测量的光速都是一样的,因为速度是单位时间内前进的距离,这就意味着对于两个观察者来说,时间是相对的。时间与测量者有关。就像物理学家KipThorne喜欢说的,时间是个人的。

在相对论中,时间与空间一起组成四维时空,构成宇宙的基本结构。时间与空间都不是绝对的,观察者在不同的相对速度或不同时空结构的测量点,所测量到时间的流易是不同的。

狭义相对论预测一个具有相对运动的时钟之时间流易比另一个静止的时钟之时间流易慢。在一九七一年,物理学家哈菲尔(JoeHafele)与基廷(RichardKeating)做了证明。他们将高度精确的原子钟放在飞机上绕着世界飞行,然后将读到的时间与留在地面上完全一样的时钟做比较。结果证实:在飞机上的时间流易得比实验室里的慢。据爱因斯坦的理论,当移动的速度越快,时间流易速度越慢,当移动速度达到光速的一半时,时间约慢13%。

重力

其实,运动不是唯一可以使时间膨胀的东西。在他1916年发表的广义相对论中,爱因斯坦证明了重力可以减慢时间。爱因斯坦认为,重力不仅仅是一种在宇宙中不可见的力,具有巨大质量的物体可以很大程度上扭曲时空。

这里有一个著名的例子,一个保龄球放在弹簧床上,如果在床上扔一块大理石,大理石会是床产生下陷,于是球会滚进去。根据广义相对论,高质量的物体例如行星,它们可以以相同的方式扭曲宇宙,同时吸引周围的其他星体。但是,爱因斯坦意识到,时间和空间是无法分割的一体,所以他称它们为时空,重力的翘曲效应不仅作用于空间,也作用于时间。

“重力影响了时间,所以时间在你家地下室里要比在房顶上慢一点。”Davies说,“这种影响很小,但是仍然可以测量,即使在距离上来说它们很微小。但假如你希望重力对时间有巨大的影响,那么你就不得不去一个有着极大的重力场的地方。举个例子,假如你在中子星的表面有一个时钟,那么它的运行速度只有在地球的70%。最终极的时间扭曲发生在黑洞的表面,在那里从某种意义上说时间仍是我们的时间。如果你到了那里,你不会感觉到时间有什么特殊,但是如果你比较一下两地的时钟,它们会有相当巨大的不同。”

质量产生的重力场将造成扭曲的时空结构,并且在大质量(例如黑洞)附近的时钟之时间流易比在距离大质量较远的地方的时钟之时间流易要慢。现有的仪器已经证实了这些相对论关于时间所做精确的预测,并且其成果已经应用于全球定位系统。

时间箭头

从人类的开始人们就知道时间是不可逆的,人出生、成长、衰老、死亡,没有反过来的。例如,玻璃瓶掉到地上摔破,没有破瓶子从地上跳起来合整的。鸡蛋很容易变成鸡蛋饼,但是却不能变回鸡蛋。咖啡和牛奶在杯子中混合,但是却不能再一次把他们分开。

古典力学无法解释时间的不可逆性。两个粒子弹性碰撞的过程顺过来反过去没有实质上的区别。时间的不可逆性只有在统计力学和热力学的观点下才可被理论地解释。热力学第二定律说在一个封闭的系统中(我们可以将宇宙看成是最大的可能的封闭系统)熵只能增大,不能减小。宇宙中的熵增大后不能减小,因此时间是不可逆的。

时间消失

根据史提芬·霍金所解出广义相对论中的爱因斯坦方程式,显示宇宙的时间是有一个起始点,由大霹雳(或称大爆炸)开始的,在此之前的时间是毫无意义的。而物质与时空必须一起并存,没有物质存在,时间也无意义。

有些人如此认为:时间从未存在过,但是Davies并不同意。“我认为时间是存在的就像手机是存在的。这是真实的东西,我们可以测量他。但是我们现在讨论的描述世界的方式与之前我们曾经讨论过的不同。”

时间或者空间都可能是宇宙的一种自然性质,但二者都不是现实的组成。“这可能是对于在宇宙大爆炸时的极端条件下,依靠其他变量进行描述更加合理恰当。

当我们发现世界拥有了完善的时间与空间的定义(或者如爱因斯坦所说称之为时空),那么它可能处于宇宙特别的状态,发生了大爆炸。”Davies用橡胶块举例子:它拥有自身独特的物理特性,用它的弹性举例,但是这里并没有原子尺度的道具。他们是原子结合体,根据一定的法则组合在一起。同样宇宙,当他从大爆炸中冷却下来,时空产生了。或许,如果他用另一种方式冷却下来,时空就不会存在了。

但假如时间和空间都不是基本性质,那么什么是宇宙的基本性质呢?关于此,还没有能让大众信服的学说。“我们可以创造词汇来形容他们,但是这些并不会出现在我们的日常生活中。所以我们仍然依赖于数学描述。但是即使有一天我们希望通过某种东西去解释时间或者空间,那只不过是把问题推向了另一个层次,因为你还需要解释你解释时间用的这些东西是什么。”

现在,我们似乎还没有想牛顿那样理解时间,甚至可能我们理解的还要少。不过,科学家的工作并不都在解释宇宙是什么,也只有极少数可以解释的了它。“你常常是用数学方程组来假设一个理论,然后你检测他是否与现实相违背,”Davies说,“如果方程组有效,你就不必为方程组解释方程组来自哪里。这就是你解释世界最好的尝试。”

无论什么是基础,或者一系列的相关性,事实上,这些是我们称作时间的那个东西表现自己的方式,而且我们了解它。像一个朋友对我说的,“如果你想知道时间是什么,那就看看自己的脸吧。”

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