我不知道我为什么对时间如此感兴趣，可能是因为我始终想不明白它是什么。

 

尽管我们每天都在各个领域使用时间，但我们很少有人能够清清楚楚的说出时间是什么。尽管我们对时间有这样那样的哲学理解，但我却很少见到一个清楚的关于时间的物理学定义。我们用原子光谱来做时间的量度，但我们知道：原子光谱不是时间。就好比尺子是长度的量度但不却是长度一样。

 

一种观点认为，只要能够测量和计算时间，就不用去管时间到底是什么。我在李淼老师博文《时间/小诗三首》里问：“时间问题恐怕是世界上最简单又最复杂的物理现象，单单是人类的感觉或记忆我认为也不尽然。时间涉及到参照系、系统的问题，时间箭头又涉及到热力学、进化的问题，说实话，我没有看到一个对时间的准确定义，我认为这对现代科学来说是一个无奈也是一个耻辱，因为我们对最基础的物理量的认识竟然是如此的模糊和不确定。当然，也许只是我不知道时间的定义，不知道有哪位大侠可以指点？”

一位署名“X”的朋友回答我说，“My philosophy on philosophical questions in physics:
1. pose a question with calculable, or at least falsifiable answers
2. shut up and calculate.

You will surely have a lot of trouble asking questions about something that one uses to define questions, such as time.:) ”

 

我不知道他的观点的对错，也许在这个问题上是没有对错的，但我知道有很多人持他的观点，起码看起来费恩曼也是这个态度：

“假如我们能够找到时间的一个确切的定义那该是多好。在韦伯斯特辞典里把‘一段时间（a time）定义为为一个时期(a period)’，又把后者定义为‘一段时间’，这种定义看来并不十分有用，或许我们应该说：‘时间就是不发生其他事情时所发生的事。’

重要的不在于我们如何来定义时间，而在于我们如何来测量它。

我们只是发现一种事物的规则型与另一种事物的规则性相吻合而已。我们只能说把时间的定义建立在某种明显是周期性事件的重复性上。”^[1]

 

尽管费恩曼持此态度，也不代表这类观点绝对正确。因为费恩曼也没有用实验证明：时间仅仅只是物体间运动规律的尺度，而不是如同引力、能量、电荷那样的贯穿于宇宙中的内禀物理量（也许我们并没有什么所谓的“内禀物理量”？！）。

 

其实费恩曼本人对这个问题可能也存在矛盾心理，他引用闵可夫斯基的观点：“空间本身和时间本身将消失在完全的阴影之中，只有它们之间的某种结合才将得以生存。”^[2]

在这里他又把空间和时间在某种程度上绝对化了，脱离了物质运动本身成为相互依存的两种物理量。当然我们可以说，“空间和时间的某种结合”就是指物质的运动。如果真是这样，反倒是可以接受的，起码我们对时间下有了比较清楚的认识：把时间仅仅作为物体运动的某种尺度而不是物体的内在属性。这也正是我们传统意义上讨论和使用的时间，它脱胎于我们对有规律的天文现象的观察：“最早研究时间的科学不是物理学，而是天文学。天文学的一个最重要的任务就是测量时间，从确定日的长短，四季的变化，到制定历法。”^[3]。现在，它贯穿于几乎所有人类科学领域之中。

 

注意到闵可夫斯基的这个观点和我以前的观点有点类似：“为何空间上的分形就是时间上的递归？因为二维以下的时空没有时间，只要空间达到三维，时间必定出现。”^[4]。考虑到费恩曼不会胡乱引用别人的观点，而闵可夫斯基也是大家，我有理由相信我的这个猜想不是瞎猜而有其物理内禀。只是我不知道费恩曼和闵可夫斯基对这个问题的理解，而我自己以前思考时空都是靠直觉，要我说出其物理描述却不能。所以我无法仅从这句话去推想这个观点背后的物理含义，而这也是我要写这个笔记的原因，我必须从直觉中走出来，站在物理的角度去审视时间这个问题。

 

我不相信时间仅仅是“量度两个时刻之间的间隔长短的物理量”^[5]至少有两个考虑：

 

热力学时间之箭

 

“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。玻璃瓶掉到地上摔破，没有破瓶子从地上跳起来合整的。从经典力学的角度上来看，时间的不可逆性是无法解释的。两个粒子弹性相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。”^[3]

因此，如果时间只是运动快慢的衡量尺度，或者量度两个时刻之间的间隔长短的话，死人是可以从棺材里跳出来的，而过去、现在、和未来在本质上应该是可以互相嵌套、无限对称的。因果律仍然可能存在，但有时候也许我们会发现：果发生在因之前。

 

当然也许我们可以把经典力学上的时间和热力学上的时间看成两回事，前者还做自己的尺子、刻度，而刻度本身是对称且没有方向的；后者作为系统发展的内禀属性，它没有至少目前还没有一个均匀、对称的刻度来使得在同一个参照系中，使得ƒ（t）是对称或可逆的。

 

但是我们知道，科学憎恨似是而非的概念。同一个名词在不同的领域表达不同的意思，这也许是可以约定俗成的，但起码我们要明确界定。我们并没有去做这个工作，这也使得几个理论之间不能兼容。

 

也许我们可以从另一个角度来思考这个问题：经典力学考察的运动通常都是物体相对于参照系在空间关系上发生改变，不管是直线运动、曲线运动还是圆周运动；而热力学考察的运动是系统内外的整体变化。在热力学过程中，目标系统和参照系统可以根本没有任何空间上的关系改变！也许，但凡在空间上能够对称的物理定律就能在时间上对称，而反之，在空间上不能对称的物理定律在时间上也不能对称。

 

μ子、双生子和生物节律

 

这个问题会涉及到狭义相对论，我们先不管细节。实验发现，在静止参考系中，μ子经过2×10^-6秒就会衰变为电子和中微子；宇宙射线中的μ子的速度可以达到v=2.994×10⁸m/s=0.998c。如果没有所谓的“钟慢效应”，那么μ子走过的距离应该是2.994×10⁸m/s×2×10^-6s≈600m。实际结果是μ子在大气中平均穿透距离为9000多米。以地面为参照系按钟慢效应来计算，μ子的实际“运动寿命”应为：τ_运动=τ_固有÷（1-v²/c²）^½=2×10^-6s÷（1-0.998²）^½=3.16×10^-5s。以此计算μ子以地球为参照系走过的距离：2.994×10⁸m/s × 3.16×10^-5s≈9500m，与实验结果比较吻合。^[6]

 

这是一个比较“诡异”的结果，如果说钟慢效应仅仅是因为测量引起的，那么μ子的寿命在任何运动速度下应该都是相同的；也就更不应该有双生子佯谬，即一个以接近光速运动的宇航员，在回到地球后发现，他的呆在地球上的孪生弟弟变得比他老了！

 

μ子问题和双生子佯谬说明，处于不同速度的参考系其内禀时间是不同的。也就是说，同一个世界，不同一个“时间”。当然我们也可以玩文字游戏：速度不同，世界不同。

 

如果我们把μ子的衰变看成一种生物节律的话，那么这两个问题的物理内禀是完全相同的。我们知道，同在地球上长大的孪生子应该具有相似生物节律的。假设生物节律不是恒定的，这个问题近似于在高速运动下，生物的节律趋向于“紊乱”而减慢，仿佛被“冰冻”了一般。但这样理解就引入了新的问题：生物节律为什么会在高速运动下“收缩”？是否意味着，时间并不仅是尺子，还是如同质量一般（因为质量会随速度增加而增加）是物体的内禀属性？

而如果生物节律是恒定不变的，那么，孪生子佯谬又是如何发生的？因为如果生物节律是恒定的，那么两兄弟经历的时间应该是不同的。那么，同处于宇宙大系统下的两个不同速度参照系里的物体为什么会在同一时间起点和同一时间终点有不同的时间路径？

 

     

    真实的路径关系应该不是一条直线，图示只是近似的表示出在不同速度下，物体在同一时间起点和终点时经历的“时间间隔”。那么，ƒ（⊿t）=ƒ（t₁-t₀）是一个和速度有关的函数，这没有问题，只是这样我们还能把时间看成是一把尺子吗？它本身被运动规定着！你怎么能用两个相互规定的定义去互相推导呢？你如何能用一把被待测物规定着的尺子去测待测物呢？

 

[1] 见费恩曼物理学讲义卷1第43页

[2] 见费恩曼物理学讲义卷1第186页

[3] 见维基百科：时间

[4] 见静夜狂思（5）

[5] 百度百科：时间

[6] 见赵凯华 罗蔚茵编著新概念物理教程 力学 第373页

转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自杨玲科学网博客。
链接地址：https://blog.sciencenet.cn/blog-2638-33080.html

上一篇：秦汉英雄传说-13-（亡命之四）
下一篇：静夜狂思（12）-暗夜?黎明