教孩子認鍾表,孩子反問:“時間是什麽?”
我竟然無言以對。
成年人已經習慣了感受歲月的流逝,但時間又偏偏不在我們的五感(觸覺、味覺、嗅覺、視覺、聽覺)之內。無法看見,也不可能被觸摸。我們也沒法像觀察運動的物體一樣通過位置的變化來領會“動”的概念。現代物理學證明即使是我們看得見摸不到的光都是由“光子”構成,但是時間卻沒有它的物質屬性。
雖然時間概念已經滲透到了我們大腦進行的每一件事情當中。但是時間和事件不同,我們並不像感知周圍發生的事件一樣感知時間。我們是通過事件的發生來體驗包括過去與現在、先後順序等等時間流逝的。
時間是什麽?難道僅僅是人類創造出來的概念,如數學上的加減乘除一樣,在自然界中完全是不存在的?
生活中,身邊太多的事物,我們從來沒有留心過它們是不是存在?為什麽會存在?
雖然時間感是我們行為和感知世界的基礎,但是它並不是我們人類與生俱來,被寫進DNA的信息。
時間究竟是什麽?
它始於何處,又流向何方?
過去和現在意味著什麽?
我們如何記錄時間?
時間與我們人類是什麽關係?
時間是否是宇宙的基本組成部分?
亞裏士多德他認為“時間是關於先後的可計算的運動量度”,將時間作為事件的固定序列。
牛頓在《原理》中提到:“絕對的、真實的和數學的時間,由其特征決定,自身均勻得流逝。”
愛因斯坦在相對論中重新定義了時間。在牛頓看來,速度=距離/時間, 距離與時間都是固定的常量。在廣義相對論中,光速成為這個宇宙中的終極速度極限。速度反而成為了固定值。這樣而言,時間的流逝反而根據速度的不同而發生變化。時間與空間緊密結合形成四維,單獨討論時間與空間都是不科學的。
俄國物理學家弗裏德曼提出大爆炸理論,認為宇宙是從一種無法描述的致密狀態中,以某種大爆炸的方式誕生的。在大爆炸之前,什麽都不存在,什麽都沒有,沒有空間,沒有物質,同樣,時間也不存在。
也就是說,宇宙有了一個開始,或許我們可以說,時間本身也在這裏有了一個開端。
時間會終結嗎?
來自愛因斯坦廣義相對論有關的時間終結問題。這個引力理論意味著,當一顆恒星坍縮成黑洞時,其中的物質會被壓碎成一個密度無限的奇點,在這裏,所有的量都變得沒有意義,時間結束。
霍金在他的著作中對時間進行了三個方麵的闡述:第一個是人類的“心理上的時間”,來自於從小的訓練和周圍的社會影響;一個是“熱力學上的時間”,代表著“熵”增加的方向(又是一個人為定義的事物);最後一個時間是我們的宇宙膨脹的方向。
但是,廣義相對論或許不是一個完美精確的理論,物理學家懷疑它提到的奇點會受到量子力學的影響。
2000年以後,量子物理領域提出新的理論。時間是兩個物理係統發生糾纏時一定會向平衡點靠近的趨勢,這個趨勢就是時間流動的方向。這樣一下子,空間與時間將不再是宇宙的基本性質。
《費曼物理學講義》中費曼給出了一個相對通俗的解釋:
重要的不在於我們如何來定義時間,而在於我們如何來測量它。測量時間的一種方法是利用某種能周期性發生的事情。例如,一個晝夜。晝夜似乎是一再重複出現的。然而你思索一下,也許就會問:“晝夜是否是真正周期性重複的?每一天是否都同樣長?”
我們有沒有什麽方法來檢驗日子長短是否相同?一個辦法是把它同某種別的周期性現象作比較,我們可以用一個沙漏來作這種比較。如果我們讓某個人日夜站在它的旁邊,每當最後一粒沙掉下來之後,他就把沙漏倒轉過來,這樣,我們用沙漏就能“創造”一個周期性事件。於是,我們就能計算從一天到下一天的“時間”(即倒轉沙漏的次數)。然後我們就會發現,每一天的小時數都是相同的。
現在我們比較有把握認為“小時”和“晝夜”具有一種規則的周期性。或許有人會問:是否會有某個萬能者在夜間使沙漏的流動變慢,而在白天又把它加快?我們的實驗無法對這類問題做出回答,我們所能說的,隻是發現一種事物的規則性與另一種事物的規則性相吻合而已。我們隻能說把時間的定義建立在某種明顯是周期性事件的重複性上。
但我們怎麽知道沙漏每漏完一次用的時間一樣長?你或許會說沙漏每漏完一次你的石英表都走了相同的時間,但我們怎麽知道石英晶體振蕩器的每次振蕩用去了相同時間?……這樣問下去是無法找到一個終極的答案的。如何終結這種問答?我們可以這樣想,因為石英晶體振蕩器每振蕩一次,光都走了相同距離,所以我們有理由相信石英振蕩器的每次振蕩用去了相同時間。這樣時間就和光速等物理量建立起“和諧”的聯係。
那麽,讓我們回到問題的初始:時間是否存在?
實際上,對於不是實物的東西,是不能討論其存在性的,我們可以說空氣、椅子存在(它們都是實物)。但時間隻是我們測出的一個物理量,就像溫度,位移那樣的物理量。談論其存在性大概沒有什麽意義。
「在物理學中概念必須基於它的測量才有意義」。---- 愛因斯坦
牛頓(以及很多人)憑感覺認為時間是均勻流逝的,但愛因斯坦推翻了這一看法,他在關於狹義相對論的那篇論文中,首先就定義了一種測量時間的方法,使得他關於時間延緩的論證令人信服。事實上,狹義相對論討論問題的方式的就是“測量”的問題。
測量使時間和其它物理量建立起聯係,才有了牛頓三定律,有了後來的現代物理。物理學是建立在測量的基礎上的。