时间的概念.

Question

时间的概念.

Answer 1

目前最广泛被接受关于时间的物理理论是阿尔伯特·爱因斯坦的相对论.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.时间与空间都不是爱因斯坦绝对的,观察者在不同的相对速度或不同时空结构的测量点,所测量到时间的流逝是不同的. 狭义相对论预测一个具有相对运动的时钟之时间流逝比另一个静止的时钟之时间流逝慢.另外,广义相对论预测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逝比在距离大质量较远的地方的时钟之时间流逝要慢.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.
　　就今天的物理理论来说时间是连续的,不间断的,也没有量子特性.但一些至今还没有被证实的,试图将相对论与量子力学结合起来的理论,如量子重力理论,弦理论,M理论,预言时间是间断的,有量子特性的.一些理论猜测普朗克时间可能是时间的最小单位.
　　根据史提芬·霍金（Stephen W. Hawking）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.
　　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.
　　
　　时间定义：人类在生活中总结出时间的观念,其根源来自于日常生活中事件的发生次序.当然人们在生活中得到的绝不仅仅是事件发生次序的概念,同时也有时间间隔长短的概念,这个概念来源于对两个过程的比较——比如两件事同时开始,但一件事结束了另一件事还在进行,我们就说另一件事所需的时间更长.这里我们可以看到,人们运用可以测量的过程来测量抽象的时间.
　　在物理学中也是类似,时间是通过物理过程来定义的,首先在一个参考系（要求是惯性系,或者是非惯性系,但过程发生的空间范围无穷小）中,取定一个物理过程,设其为时间单位,然后用这个过程和其他过程比较,以测定时间.
　　但测量时间（即上述比较过程）必须有同时性概念.过程开始有一个同时性问题,过程结束也有一个同时性问题——最简单的例子：我们要求运动员在发令枪开枪同时起跑,同时计时员开始计时,并在运动员抵达终点线时计时员必须同时停止计时.
　　这个问题具体见各类相对论书籍.同时性问题,使得古典牛顿力学、狭义相对论和广义相对论有着不同的“时间”.直观概念告诉我们：任何人在事件是否同时上是可以达成一致意见的（也许某些人会欺骗别人,造成类似侦探小说或政治小说中的情形,不过这是人类“高智商”的表现,我们完全可以用测量用的仪器来代替：）,所以我们之后不说人,而说观察者）在相对论中,观察者的运动状态引起同时性的变化,或者说观察者1以v1运动,认为同时的两件事,以v2运动的观察者2可能会认为不同时——这导致时间测量的相对性.
　　从数学上说,古典牛顿力学中时间参数只有一个,所有参考系共享此时间参数.这其实就是假设所有参考系,所有空间位置可以共享同一个同时性定义.
　　而狭义相对论认为不同参考系就不同时了,即不同参考系有各自的时间参数t,其间关系由洛伦兹变换决定.广义相对论认为不同地点也会不同时,广义相对论中关于时间有比较复杂的内容,参见广义相对论书籍.
　　当然请注意：严格说这不是简简单单的“认为”,而是基于两个假设：狭义相对论是光速不变原理.广义相对论是引力本质为时空弯曲等.而这两个假设得到了实验的广泛验证.
　　上面我们说完了时间间隔测量的问题.但前面也提到：时间的先后次序是人们在日常生活中对时间的第一印象.古典牛顿力学中,这一点很容易理我们有唯一的时间参数t,所以任意两事件（一个发生在t1,另一个发生在t2）也就有确定的先后次序.那么相对论中呢?相对论中同地两事件先后顺序的确定的,这可以从洛伦兹变换直接看出.但可以肯定,相对论中不同地两事件的先后次序也是随参考系（我很愿意这么说：仪器的运动状态不同,这样能够把事情的本质说出来）不同而不同的.但这里就有一个问题：会不会有可能在参考系1中事件a先于事件b发生,且事件a的发生影响了事件b的发生（最极端的情况,使得b无法发生,譬如一个孩子杀死了他年轻的祖父）,而在参考系2中正好反过来?如果是这样,物理学乃至一切原理中最重要的一个基本原理——因果律将轰然倒塌.所以这个问题是非常重要的.让我们严格叙述这个问题：事件a发生,并发出信号（广义的信号,涵盖一切可以影响到b的方式,但由于a,b不同地,这个信号就需要一定时间的传播）,影响b.另一个参考系中正好相反.值得庆幸的是：可以用洛伦兹变换证明,只要信号速度不超过光速（最多使用光,光速）,信号就不可能先于b的发生传递到b所在位置.
　　另外说一句：狭义的另一个假设：任何物理系中物理定律有着相同形式,也是广义相对论所服从的.换句话说,参考系1中对一个物理过程加以测量,得到l1=v1t1.参考系2中加以测量同样也会得到l2=v2t2,尽管可能l1,v1,t1和l2,v2,t2都不相等.当然严格说这个例子不合适,因为v的定义位置矢量导数.但是对一些复杂的物理学定律,如麦克斯韦方程组,这个假设就很重要了.
　　时间箭头
　　下面说说时间箭头.在以上的讨论中,我们从时间间隔和先后次序两方面讨论了时间,却忽略了时间很重要的一个特性：时间箭头.子曰：逝者如斯夫,不舍昼夜.人生百年,逝去就没有重生的余地.但覆水难收的又何尝仅仅是人生!物理学理论告诉我们：凡是与热现象相关的物理过程,都是不可逆的.这里的不可逆,不是绝对意义上的不可恢复,而是说：这些物理过程产生的结果不可能在不造成其他影响的情况下完全恢复.这就是大名鼎鼎的热力学第二定律.
　　下面给出两个热力学第二定律的表述：
　　1.低温热源不可能将热量自发传递给高温热源（或不可能从低温热源将热量传递给高温热源,并不产生其他变化）
　　时间的表现2.不可能从单一热源吸热完全转化为机械功,并不引起其他任何变化.
　　可以证明两表述等价.后一个表述有明显的工程痕迹——这来源于对蒸汽机一类将热转化为功的工程机械的研究.这些研究大都与当时那个工业革命的时代相联系,在今天已经没有太多纯理论的价值,但却有一种东西,虽然主流研究已经基本绝迹,还是有非专业学者前仆后继地加以研究,那就是第二类永动机.第二类永动机是这样一种机器——给它一定能量,让它开始运行,接下来它可以将由于摩擦等耗散因素耗散掉的能量全部吸收,接着再将这些能量投入回机械的能量循环.这样的一个永动机如果造出,就意味着我们有办法用今天开采出的能源维持机械的永恒运动（因为一切耗散掉的能量都可以重新利用）,使得世界以现今的能耗速度运行到世界末日!但热力学第二定律很明确地告诉我们：这是不可能的.耗散掉的能量（内能）绝不能完全转化为耗散前的形式（机械功）,这破坏了无论古典牛顿力学还是相对论中的,基本原理的无时间方向性.那么这是为什么呢?
　　熵
　　为了理解这一点,我们必须引入熵的概念.由于在经典热力学中,引入熵的概念需要很多技术性内容,这里不加赘述,可以参见任何热学教本.这里只给出熵的一个性质：任何绝热（也就是孤立,不被外界所影响）热力学过程,只要初始状态和末态是平衡态（经典热力学中熵对平衡态才能定义,对于这一点的误解,曾导致了热寂说）,末态的熵一定大于初态的熵.简单说,孤立体系向着熵增加的方向发展.注意,一般热学书中会说：不可逆绝热过程熵増,可逆绝热过程熵是不变的.但其实可逆过程不是真实存在的过程——真实存在的宏观过程,只要其中分子有热运动,过程就是不可逆的.（在超流等现象中,存在可逆宏观过程,但这时超流部分没有热运动）
　　但熵究竟是什么?玻尔兹曼用一个公式告诉了我们S=klnw,其中k为常数,w为热力学概率（关于物质的分子、原子运动的量,在经典热力学的情况表征体系混乱程度的量）.他用统计方法证明了,平衡态下这个公式给出了前面所说的熵.也就是说,在经典热力学的意义下,熵意味着事物朝混乱的方向发展.当然需要指出的是,并非所有情况下,这种发展都可以称之为“混乱”.比如宇宙从远古的浓汤状态演化到现今的星系结构.
　　但是需要指出的是,熵并是否意味着绝对的时间箭头还并不清楚,因为越来越多的实验告诉我们：熵并非恒增.其实这并非新论,玻尔兹曼当时就前段时间一个实验实现了10^(-1)s数量级的熵减,也就是说在零点几秒的时间内,测量到了系统的熵减.这是怎么回事呢?第一点,统计方法得到的熵增加只是平均意义上的增加,也就是说存在熵减小的概率,只是概率非常之小,以至于我们基本观察不到熵减的情形.第二,也是更有争议的一点是实际上,玻尔兹曼用统计方法证明S必定增加时,采用了分子为刚性球体的假设,并用到了近似.这并不是很能让人信服.现代系综理论（其创始人为著名物理学家、化学家吉布斯）研究表明,必须对时间参数t或空间参数取取某些“粗化”,或者说,将我们对时间或空间观察的精度降低,才能得到熵增加的结论.
[编辑本段]关于时间的其他理论
　　博宇十论对时间的本质有终极解释:时间本质上是人类的自我错觉.
　　下面是严重的错觉反应
　　第一节; 解析时间的建立
　　定义： 设两直角坐标系(S')和(S), (S')为运动系,(S)为观测系.(S')中的长度l'为固有长度,时间t'为固有时间; l', t'表示(S')相对于(S)静止状态下的长度和时间； 当(S')相对于(S)运动时,在(S)中测量(S')中的长度l'和时间t'; 测量结果为l、t,则l 观测长度,t为观测时间,l、t均为观测值.
　　(I). 时空面积相等原理----运动系(S')及观测系(S)中的长度与时间的乘积为时空面积S'或S.运动系(S')相对观测系(S)静止或运动状态下,时空面积是不变量；即对任意(l', t'), 均有等式 l't'= l t 成立
　　(II). 时空偏转原理-----若运动系(S')相对观测系（S）运动,在某一时刻相对速度为u或u',那么运动系(S')与观测系（S）沿相对运动产生偏转,偏转角q 为时空偏转角,时空偏转角的大小与相对速度u （或u'）有关,其正弦值与相对速度运动方向u（或u'）成正比,即sinq =u/c, （或sinq = u'/c'）,c为光速.时空面积不变原理(I)和时空偏转原理(II)是我们研究时空问题的基本原理.根据这两条原理,我们下面找出(S')与（S）的时空关系式.
　　设(S')与（S）在某时刻原点重合,(S')与（S）的相对速度为u, l与u方向相同,根据原理(II), (S')与（S）产生偏转得到以下结果：
　　OD = OAcosq
　　令： OD = l OA = l'
　　则上式 l = l'cosq
　　又根据原理(I),(S')中的时空面积 S'ABCO与（S）的SDEFO 相等,
　　所以 t l= t'l' , t = t' (l'/l), 将(1-1)式代入
　　得 t = t'/ cosq (1-2)
　　由原理 (II)知: sinq =u/c, 表明关系式cosq = l/l’=t’/t以及其中的q 与原理(II)sinq =u/c中的q 相同.(1–3)、(1–4) 这两个等式是狭义相对论的基本公式,也是解析时空理论研究时空问题的出发点.在本文中,您将逐步看到狭义相对论的普遍结论---动尺缩短,动钟延缓效应,正是由于时空偏转所致,狭义相对论的收缩因子即为解析时空的偏转因子.
　　下面我们求出(S')与(S)的速度关系式（非坐标关系式）：
　　由( 1-1 )式: l = l' cosq , 我们选 l1 和 l2 (l1¹ l2)
　　则 l1 = l'1cosq , l2 = l'2cosq
　　两式相减 l2- l1= (l'2- l'1) cosq
　　D l21= D l'21 cosq (1-5)
　　当 Dl21 ® 0时,
　　dl = dl'cosq (1-6)
　　同理由(1-2)式可得到
　　dt =dt'/ cosq
　　dt'/dt = cosq (1-7)
　　则式(1-6)关于 t 微分有
　　dl/dt = cosq dl'/dt
　　第二节 解析时空的基本性质
　　时空波全景
　　我们知道所有物理学的原理、公设、假设都源于基本物理概念,由于研究对象的差异,这些物理概念可以是具体的也可以是抽象的,科学家们应用数学方法对这些概念进行描述,并用数学方程式计算各种物理量的关系,就是说物理学中的数学方程式无法脱离物理概念而独立存在.但我们发现作为量子力学中最重要基本原理之一的薛定谔方程却缺乏应具备的物理含义,与其说是一个“原理”或“假设”,倒不如说薛定谔方程看上去更象一个结论.尽管薛定谔方程在量子力学中有很高的应用价值,但这丝毫不能掩饰薛定谔方程作为量子力学之“原理”而存在着的本身的缺憾,也不得不使我们对‘量子大厦’的基础工程多少要产生一些怀疑.这种情况在相对论身上同样存在.在相对论中无处不在的收缩因子,其物理含义怎么解释?广义相对论把非惯性时空定义为黎曼空间,但由于黎曼几何是正曲率空间,既然广义时空是对称的,我们必然要问,负曲率空间到哪去了?难道上帝对正曲率空间有偏爱?在对上述看似简单的问题作出正确合理的回答之前,我们几乎无法令人信服地谈论所谓的‘统一理论’.今天这些问题实际上已经找到了答案,上述那些似乎毫无关系的问题都可用时空偏转原理来解释.本章并不是简单地为薛定谔方程找到了数学上的证明方法,而是使其建立在更为牢固、更具代表性的时空原理之上,这同时也使我们有理由从时空偏转的概念出发去审视目前全部物理理论所处的时空位置：
　　时空波函数自变量q定义区间
　　0 y=y0 第一时空 绝对时空 牛顿理论
　　[0,p/2] y=y0cosq 第二时空 相对时空 相对论 （狭义、广义）
　　[0,+¥） y=y0coswt 第三时空 量子时空 量子力学
　　[2kp+p/2,2kp+3p/2] k=0,1,2.正整数 第四时空 负空间 黑洞
　　第一时空----
　　第一时空是我们生活的时空 ,物理学上的第一时空概念是绝对时间,绝对空间,这种观点统治了人类几千年.直至今日,第一时空观念还在影响着人类的思维方式和哲学观点,因为第一时空世界是低速世界,几乎我们全部物理理论都是建立在‘低速世界’基础之上的,这是谁也无法改变的事实.在这一“现实”面前,物理学家们所要做的事就是把主观与“客观”的距离缩小到最小范围.
　　第二时空----
　　大约在一个世纪前,一位伟人---爱因斯坦开创了‘相对时空’领域,相对论认为时间和空间都不是绝对的,爱因斯坦发现对时空的描述与描述者间的相对运动状况有关,第一时空的绝对时空观念已不再适用. 历经数年时间,他对第二时空做了精心的设计,把其描述成弯曲的,多维的,并向外凸起的正曲率空间.第二时空的发现是人类历史上很了不起的一件事,它告诉我们这样的事实,即在第二时空区域两端,一端为第一时空,另一端是黑洞世界（q=p/2）（详见第一章）,在黑洞里所有的物理理论都将失效,这对于那些“绝对”“永恒的” 观点是绝妙的讽刺.遗憾的是,第二时空的成功却使爱因斯坦深陷其中,他始终都未离开第二时空一步,直至逝世,他并没有发现时空的偏转性质,也没有意识到相对时空只是整个时空波段上很小的一部分,正象可见光是电磁波谱中很小的一段一样.当物理学界忙于用这把“万能钥匙”开启更多的时空大门,但都归于失败而不知所措的时候,第三时空理论---量子力学却逐步完善,登上了时空舞台.
　　第三时空----
　　‘量子时空’比‘相对时空’涉及的范围更广,它把第二时空波段从[0,p/2]扩展到[0,+¥）区间,应该说第一,二时空是第三时空的特例.第三时空的建立有着微观领域广泛实验的基础,即粒子的运动速度比宏观世界物体的运动速度大得多.但人们发现对粒子的运动状况进行描述却比预想的要困难,我们不可能同时确定粒子的位置和动量,而且能量分布也不是连续的.尽管它是个事实,但要说服习惯第一时空或刚从第二时空过来的人,你必须花费相当的口舌,因为第三时空理论基础的建立不象人们想象中的那样牢靠,“就这样的公式你去计算好了,不要再问为什么”.此情景确是发生在我们奉若神明的理论之中.
　　第三时空的“成功建立”使越来越多的科学家们相信真正的“统一理论”无非是把第一,第二,第三时空统一在一个新的理论中去.这种想法不错,但忽略了另一个重要因素,就是能量为什么不连续,“丢失”的空间哪去了?显然此问题在第三时空理论中是无法找到答案的.在本文中我们已经知道：能量的不连续性是空间不连续造成的,而空间的不连续是时空波函数在区间 [0,+¥)上出现了负值,其物理含义为负空间,所对应的能量会出现负值,它正是我们要寻找的“丢失的空间”.从广义上讲,空间,能量都是对称的,只不过我们无法测出负空间,负能量,若要理解它们,就需要我们站在第四时空立场上来看待这一问题.
　　第四时空----
　　近年来有关反物质,负时空的概念已逐步从科幻作品中进入到一些专业书刊中,但从理论上承认反物质、负时空和负能量等的存在还需要相当的勇气,因为在我们看来,客观存在必须是实实在在的东西,负时空概念显然与传统观念格格不入,是经典理论的禁区,但对于理论工作者来说它绝不能成为想象力的桎梏.要完成第三时空向第四时空的跨越,我们必须具备坚实的理论基础.解析时空理论以最简单的数学方式描绘了从第一时空到第四时空的全景图,它使我们从整体上了解时空体系存在的客观性作了充分的理论准备并提供了必要的理论工具.我们会发现黑洞导致测量作用产生波粒二象性和其他量子现象.如果我们期待在时空问题上有所作为的话,必须应抛弃我们原有的观念----‘上帝总是对人类有所偏爱’.因为正负时空从整体上是相同的,只不过我们人类自认为站在哪一边罢了.