时间的连续性.doc

爱菲斯哲人赫拉克利特说过，人不能再次踏进同一条河流。

有一个与人类一样古老的问题──时间是什么？“时间”是现代物理学的重要研究课题。

伽利略为提高记时工具的精确性做出了很大贡献。

从古人类到爱因斯坦，我们试图描述人类时间观的演化过程。

一元复始，万象更新。岁月匆匆，如白驹过隙，稍纵即逝，令人生发出无限感慨。我们面对着一个古老而又始终新奇的话题：时间是什么？时间是什么？它从往昔流向未来，从不曾逆转，也不曾停顿；发生过的同一事件便不可再现；当人身心愉悦的时候，时间转瞬即逝；当人百无聊赖的时候，便感到度日如年。时间对现代物理学来说也是重要研究课题之一，我们可以举出许多试图解释时间的活跃议论，像“黑洞时间”、“虚数时间”、“时空旅行”、“时间粒子”等等，可谓奇想篇，不胜枚举。这些议论的共同特征就是相信终有一天人类会实现在时间长河中的任意遨游。超时空旅行是人类无数世代的梦想，古今亦然。1895年，英国著名科幻作家威尔斯在他的《时间机器》这部小说中，第一次把人类的梦想化为一部形象的文字。在这部小说中，主人公乘着时间机器前往公元80万2701年的未来探寻了一番。在威尔斯之后若干年，爱因斯坦创立的“相对论”从理论上证实这种超时空旅行是可能的。在一部名为《背向未来》的脍炙人口的科幻电影中，主人公实现了前往已逝岁月的旅行。这种旅行可能性一直困扰着包括当代著名物理学家斯蒂芬·霍金在内的不少科学家，他们尚未对此做出是否可能的回答。对这种可能性有人斥之以异端邪说无稽之谈，如果哪个人真的实现了回返往昔的时空旅行，就必得否定父母，请问他自己是如何来到世上的呢？时间是什么？它是人类具有“时间”这一概念以来，世世代代经年累月寻求其答案的最深不可测的谜。我们不妨试着描述一下从往古人类到爱因斯坦的相对论问世，人类时间观的演化过程。

时间：周而复始之物

公元前3000年前后，古埃及人发现，当东方既白出现大犬座的天狼星，这便是尼罗河将要泛滥的前兆。据此，他们把一年分成了泛滥期、土地恢复期、干期三部分，沿尼罗河创立了农耕业。古埃及和古巴比伦都是以农耕业为中心的文明所以详细了解一年中季节的转换是必要的。可以想见，他们会认真观察形形色色的星辰、太阳和月亮的运行，努力理解时间推移的含义。经过长时间观测和经验的积累，他们发现，太阳在天空规则地改变着位置，经过一定时间后，月亮在天空的移动也有一定的周期。拥有了这样的知识，古代人类当然很快就明白了，这些天文现象与自己的生活有着密切的关联。久而久之，古代人类知道了天文现象各有其固有的周期性，具有了历法和时间的概念。在古埃及遗留下来的卡尔纳克神庙中，就有能够正确判断夏至日日没、冬至日日出方向的回廊。古埃及人通过观测太阳在天空经过的“路径”，了解了一年的长短，据此制订了“太阳历”。通过详细的天文观测，他们发现一年之长为三百六十五又四分之一天，天狼星拂晓前升上东天的周期是1460年。根据天文现象计算时间推移的不光是埃及人。英国有一座巨石阵，其中有一条被称为“大街”的平坦道路。它指向可以看到夏至日日出的方向，这里还可以观测冬至日日出的方向，一年里月亮在天空的移动情况，形状各异的巨石被安排得各有其位。古代苏美尔人和巴比伦人通过观测装点着夜空的星群，发现一年之长差不多是365天，还找到了与之对应的36个星座，通过星座的移动，了解一年中四季的变换。在这些星座中，他们把位于太阳运行“路径”上的12个星座称为“兽带座”，一直保留至今。他们根据月亮在天空的运行，把表示月亮在每天晚上位置的星座划分为28个星宿，通过观测这些星宿来判断时间。其实，月亮在天空运行一周的时间是二十七又三分之一天左右，28个星宿的划分并不正确，可是古代人类并没有分数和小数的概念，他们只能想象月亮停留在28个星宿上。迄今为止，我们划分时间的方法都是周期性的，可以想到，古代人类会觉得一天也好一年也好都是循环往复的，正因为如此，他们才凭着时间周而复始的想象，制订了历法。

古人的达观和对时间的追求

古埃及人把一年分为360天与5天之和，把5天加在一年的末尾，并用“360”将天空分割开，作为测量角度的基准。测量角度的“六十进制”正是基于这一实践被发明的。古埃及人把天空划分为36个星座，观测这些星座在一年时间里横贯天空，从而利用星座计算时间。夏夜大约有8个小时，而在这段时间里有12个星座横过天空，于是古埃及人把夜晚确定为12个小时，同样，白昼也被确定为12小时，由此看来，在当时人们的心目中，一年中的时间是可以伸缩的。由于昼夜每小时的长短在一年中是“灵活”的，依今天的眼光来看实在是太别扭了。古人如此满不在乎时间的精确性，真是过于达观了。每天24小时，午前、午后各12小时，这是我们能够追溯到的时间划分。为了在一天内把握时间的进程，古人研究出了计算时间的机械，这就是我们现在已经知道的沙漏和水时计。在古埃及，人们把木板装订成“T”字形，竖板前端弯成90度，这样就可以根据横板在竖板上投下的影子来判断时间。这种工具看上去很像今天的剃须刀。在古人具有的时间概念中，每天、每年都是循环往复的，没有必要把握准确的时间。不过，古人萌发了这样的思考：固然无须把握循环往复的时间，然而接踵发生的事件却是不会重复的，时间总是朝着一个方向前进不会倒流和停顿。信仰古代犹太教的古代犹太人就对这种“直线性”的时间有过思考。人们认为，他们所信仰的神会让特定的历史事件只发生一次，历史是神为达到目的而创造出来的。所以，那种以为历史事件是周期性重复的想法是对神的亵渎。在基督教的教义中，最中心的事件是耶稣基督的死和复活，因此同样的事件会周期性重复的看法是不可想象的。由此可知，这种来自宗教教义的见解成就了这种思考，即沿着直线前进的时间也就是直线性的时间。在中世纪的欧洲，人们对于时间和日期似乎并不怎么上心，如果时间是循环往复的，那么日期差不多也没什么意义了。然而慢慢地人们在日常生活中发现，正确计算时间是必要的。进入14世纪后，有人研制了具有机械结构的记时工具，时间以不变的速度延伸成为人们的共识。

时间之子———伽利略与爱因斯坦

为提高记时工具精度做出很大贡献的是伟大的科学家伽利略。有一桩广为人知的轶事：伽利略通过观察意大利港口小城比萨某座寺院天井下摇摆的油灯，发现了振子的等时性。所谓等时性也就是振子的振动周期，仅由振子的长度决定，而与重量无关。应用这种振子的等时性原理，有人研究成功了钟表的调整装置。把它变成现实的是荷兰物理学家克里斯琴安·惠更斯，那是在伽利略辞世14年后1656年的事。计算一定周期运动的次数的方式，直到今天在精密的原子钟上仍在使用。时间的测算方法从那时至今没有什么变化。伽利略还有这样的见解：时间的步伐不依人们的主观愿望所转移，时间在这个宇宙的任何角落都在以同样的方式在流逝。他计算了在自由落体运动中速度和距离与时间的关系，发现距离与物体从下落开始后的时间的平方成正比。伽利略根据在船上所做的实验确认，这种自由落体运动的模式，在沿地表以等速运动的情况下也没有什么两样。1632年，伽利略观察了一个密封船舱中发生的现象，他写道：在这里（只要船的运动是等速的），你在一切现象中都观察不出丝毫改变，也无法根据任何现象来判断船在运动还是停在原地———当你在船板上跳跃时，你跳过的距离和你在静止的船上跳过的距离完全相同；也就是说，当你向船尾跳去时，并不会———由于船在很快地运动———比向船头跳去时跳得更远，虽然当你跳起在空中时，你下面的船板正在向着相反的方向奔驰；而且，你若要把一件东西抛给你的朋友，如果你的朋友靠近船头而你靠近船尾，你也不必比你俩调换位置后费更大的力气；从挂在天花板上的装水杯子中洒出的水滴，会竖直地落在船板上，而没有任何一滴水偏向船尾，虽然水滴尚在空中时船正向前进。苍蝇继续飞来飞去，在各个方向毫无不同；它们绝不会聚向船尾，为追逐疾驶的船而疲于奔命。伽利略发现的是一个相对原理：在一个封闭的系统中，不论进行怎样的力学实验，都不能判断一个惯性系统是处于静止状态或是在作等速直线运动。根据这一结果可知，相对于静止的某参照系，以等速向着某确定方向运动的参照系也是与时间同步前进的。这一参照系被称为“惯性参照系”。时间的进程不受惯性参照系的任何影响。如果时间的推移在任何惯性参照系中都同步前进的话，那么是不是可以设想，存在超脱于这类参照系的共同的时间呢？阿尔伯特·爱因斯坦把这种时间称为“绝对时间”。然而这个“绝对时间”由于阿尔伯特·爱因斯坦登上科学舞台而分崩离析了。爱因斯坦以实验事实出发，对空间、时间的概念进行了深刻的分析，从而建立了新的时空观念，在此基础上他提出了狭义相对论。在狭义相对论中，空间和时间是彼此密切联系的统一体，空间距离是相对的，时间也是相对的，在相对于尺和钟做匀速运动的惯性参照系中的观察者看来，尺变短了钟变慢了。在这个意义上，尺的长短，时间的长短都是相对的。可以肯定的是，人类对于时间的认识仍然在深化，在逐渐逼近那个真理──时间是什么？
面对如此多的宇宙年龄答案，人们已经有点不耐烦了。于是，开始有人大声提问：“谁来告诉我‘时间’是什么？”这个问题问得有水平，没人问时大家都明白时间是什么，这一问，大家才明白，我们不知道时间是什么。宇宙由小到大地膨胀着，星系、星球、生物包括人类，都在光阴流逝的“时间”大道上行进着。对于冷热酸甜，我们的意识可以感觉，但是对于时间——？在我们清醒时，我们可以感受时间的流动，而当我们安然入睡后，它就躲了起来，不让我们感觉到。一个叫普里戈津的俄籍比利时科学家提出了“内部时间”的概念。他提出，我们意识到的时间，是人体生理上的新陈代谢的反应。我们孩提时代学会的游泳、骑自行车等技能，即使长期不用，也很快能够找到感觉，这是人脑神经的一种不可逆的变化。而时间也与此类似，它也是人类在长期的生存过程中的一种感觉。如果你与普里戈津持相同的观点，你就不会对宇宙的年龄无法准确定下而心急了；你也不会面对天文学家提到的“从宇宙诞生后的1/1000000秒到1/1000秒时，夸克、反夸克和胶子开始大量毁灭”等话语感到不可思议了。他们所说的时间，也都是人的感觉罢了。
　　不过对于整天为柴米油盐奔波的普通人来说，宇宙的年龄是100亿岁还是200亿岁，同自己并没有什么关系，在天文学家竭心殆虑地得出宇宙的年龄的最新数据，然后兴冲冲地跑过来对你说：“嗨，老弟，你知道吗，宇宙的年龄是170亿年”。你会耸一耸肩膀，略带拖腔地说：“噢，就算是吧。”　
时间是什么？富兰克林的回答是：“时间就是金钱。”一直以来，这句话与“知识就是力量”一样，被看做是励志的格言。然而，在21世纪的今天，它字面上的含义却更加突显,时间具有了与石油和昂贵金属一样的价值，现代经济的基础单位就是以每秒兆元计，难怪人们对时间分秒必争，锱铢必较。

　　时间越来越值钱

　　英国经济学教授华克做出一个公式，一位普通的英国人在刷牙上花费的3分钟可以与45美分等价。如果用这3分钟去工作，那么在扣去所得税与社会保险金后，他将赚到45美分。时间确实成为一种特殊的商品。时间可以定义为一种连续的事件流，所有的故事都在其中不断地承前启后，无论是一年还是一纳秒，其间都有数量无限的事件发生。葛雷克曾在《毫秒必争》中写道，在上世纪80年代，美国联邦快递服务的创立使迅捷的信息交换成为可能。那时，也只有联邦快递的客户才能享受到这样的便利。但当更多的人知道了这种服务后，整个世界对邮递速度的期望都更高了。互联网的出现无疑再次改变了人们对时间的感受，时间基本上已经超越了空间的束缚。通过网络，纽约和塞内加尔的人可以在同一时刻得知最新的消息。

　　计时越来越精确

　　真正的时间革命是13世纪机械钟表的出现。它的出现使人类从大自然手中夺回了对时间的控制权。随后，机械钟表用游丝代替了笨拙的钟摆，使计时器缩小成可以像珠宝一样随身携带的物品。

　　真正让时间精度得到质的飞跃的是原子钟。其纳秒级(十亿分之一秒)的精确度远远超过其他可观测的物理学单位。

　　人类越来越困惑

　　“时间究竟是什么”仍难以回答，在讨论什么叫“光阴似箭”的时候，物理学家们和哲学家们都没有一个共识。人类对时间的困惑由来已久，因为它是包括过去、现在与将来三个部分的奇特存在，难以定义。古罗马先哲奥古斯丁在《忏悔录》中描述：“时间究竟是什么？这个问题如果没有人问我，我就知道它的答案；要是有人让我解释的话，我就不知道了。”与哲学家相比，追求客观的物理学家本应该有更朴实的回答，但他们在解释“光阴似箭”时，只能含混地说，时间是以“每秒钟一秒”的速度前进。很明显，这种说法与玄学没什么差别。更为有趣的是，现代理论物理学中最为热门的主题竟然是：时间是否是一种幻象。看来，时间的本质确实是个极伤脑筋的问题。
　　对大多数人来说，时间不仅仅是单向度的真实存在，还是他们生活中的支配力量，他们时常地注意钟表上的刻度，科学家也不知道这种行为是出于天性，还是后天训练的结果。当然，也有许多人感到自己经常遇到似乎经历过而实则没有经历过的事情和环境，或者觉得自己陷入了反复呈现的自然韵律中，但这并不一定意味着不可知力量的存在，科学家将之解释为人体内各种生物钟运行的结果。也许，生物钟也是时间的一种表现形式。
尽管时间如此难以琢磨，人类还是会照例庆祝各种节日和纪念日，同时，世界上将会出现越来越多诸如即时通讯、一小时快照冲洗服务、快速结账柜台、特快专递等与时间赛跑的各种事物。这也许是唯一让世界显得合理有序的方式。艾敏
　　爱因斯坦的时间观
　　据说，爱因斯坦在向普通人解释相对论时，曾用过一个形象的比喻：“对一个男人来说，与美女共坐的一个小时只相当于一分钟；但如果让他坐在火炉上，那么他会觉得一分钟相当于一个小时，这就是相对论。”
　　这个故事听起来有杜撰嫌疑，但实际上确有其事。不久前，美国科学专栏作家米尔斯基在某个图书馆的故纸堆中意外发现，这个比喻其实是爱因斯坦一份短篇实验报告的摘要中的一部分。这篇实验报告发表于1938年的《热科学与技术学报》(现已停刊)第一卷第九期。以下就是这则实验报告的全文：
　　实验报告：外在感受对时间膨胀的影响爱因斯坦美国新泽西州普林斯顿高等研究院
　　实验摘要：对一个男人来说，与美女共坐的一个小时只相当于一分钟；但如果让他坐在火炉上，那么他会觉得一分钟相当于一个小时，这就是相对论。观察者的坐标参照系和心理状态都有可能影响其对时间流逝的感知，以下我将对此进行实验探讨。
　　实验方法：首先，我需要找到一个火炉和一名美女。可惜的是，我无法得到火炉，帮我煮饭的女士禁止我接近厨房一步。不过我搞到了一部1924年制造的松饼机，它能够加热到相当高的温
　　度，实验效果与火炉相当。接下来是如何接近一名美女，这也是个大问题。幸好，我认识卓别林，曾参加他1931年影片《城市之光》的首映，而他妻子电影明星宝丽·戈达，拥有着美丽的面孔。于是，我请卓别林为我安排与他妻子见面。
　　讨论：我坐火车到纽约与戈达小姐在中央车站的大蚝酒吧见面，她确实十分明艳。我马上与她进行了交谈，在我认为过了1分钟的时候，我看了看手表，发现我们已经交谈了57分钟，四舍五入的话就是1个小时。回到家后，我插上松饼机的插头，机器加热后，我穿着长裤和白衬衫坐在它上面，1秒钟后我就站了起来，我感觉这1秒钟很长。为了保持叙述中的计量单位一致，我将这漫长的1秒钟看作1分钟。最后，我给医生打了电话。结论：观察者的心理状态确实能影响其对时间流逝的感知。
从以上的实验报告可以看出，爱因斯坦确实是个幽默感十足的人。他还曾对无线电报进行了一个颇为有名的形象解释：“无线电报其实一点也不难理解。一般的电报就像一只很大的猫，只要你拉一下它在纽约的尾巴，它在洛杉矶的头就会发出喵喵的叫声。无线电报也是一样的，只是那只猫不存在了而已。”据说这段话让物理学家薛丁格失眠了很长时间。
回答：2005-08-08 10:26
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