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第四节 什么是时间 （shenlidt曾参与讨论和修改） 古人曰，光阴似箭，日月如梭．这里就有时间的概念．不过，时间这一本来十分简单的概念近来已被有些人弄得玄而又玄，无法理解。 每天我们都会不止一次地提到“时间”这个词，“现在几点了？”，“什么时间开始？”，“多长时间？” 那么时间是怎么产生的呢？从认识和测量时间的发展历史看，人类在长期日出日落的过程中，逐步产生了“日”的概念；从月亮圆缺的过程中产生了 “月”的概念；从暑往寒来的漫长经历中产生了“年”的概念。 现在人们已经清楚，地球自转一周是一日；月亮绕地球一周是一月；地球绕太阳一周是一年。 时间是对运动过程的量度，具体地说，时间是通过对某一具体运动周期的计数来对运动过程进行的量度。因此，时间的本质是一种特殊的周期运动。 这样定义时间有如下一些特性： 一、 时间单位的周期性 具体时间单位都分别对应着一种特殊运动的周期。例如年、月、日，分别对应着地球绕太阳转动的周期、月球绕地球转动的周期和地球自转的周期。年、月、日的多少则是对相应的运动周期进行计数。 二、 时间的单向性和不可逆性 运动周期的计数过程是从小至大的顺序进行的．众所周知，计数过程具有单向性和不可逆性，已经计数的是过去，正在计数的是现在，暂未计数的是将来。因此，时间具有过去、现在和将来的单向性和不可逆性。 三、 时间的连续性和无限性 由于对过去运动周期的追溯和对将来运动周期的计数是连续的和无限的，时间也是连续的和无限的。也就是说时间既没有开端，也不会终结。 四、 时钟的结构 现实中时间的量度正是通过对一个具体运动周期的计数来实现的。所有测量时间的钟都是由一个特殊的周期运动和对其周期多少进行计数的机构所组成的．例如，一个机械手表里有一个作周期运动的摆轮和对其摆动周期进行计数的时分秒齿轮计数机构。 五、 时间的相对性 时间不是绝对的而是相对的。这是因为选作时间基准的特殊的周期运动会受到其它因素的影响，其运动周期之间并不是绝对地保持不变。例如，精确测量表明：年、月、日的周期都在不断地变化，有时变快，有时变慢，总的趋势在变长。它们之间的变化也不成比例。人们根据对古珊瑚虫化石以及当今珊瑚虫的年轮和日生长线的研究表明，晚石炭纪的珊瑚化石每年平均有385—390条生长线，而现代珊瑚在一年的生长期中约有360条生长线。也就是说，晚石炭纪一年约有385—390天，而目前一年约是360天。 特别地，每种具体的物体都有一定的寿命，无论其寿命多长。若作为某种时间基准的物体消失了。那么这种具体的周期运动也就根本不存在了。我们必须选取新的时间基准。因此，绝对不变的运动是不存在的，绝对精确和永恒的钟是不存在的，牛顿的绝对时间也是不存在的。 六、时间与运动的不可分割性 时间和运动是不可分割的。离开物质运动的时间和没有时间的物质运动都是不可能存在的。 首先，时间离不开物体的运动。时间只是形式，它总是以物质运动为内容的。如果说什么事情都没有发生过，那就是没有经历时间，也就是没有这种现实的时间。 从时间的量度也可以说明时间离不开物质的运动。时间是以物质在空间中的运动来度量的，例如，地球绕太阳公转一周就是一年，地球绕地轴自转一周就是一天。可见，离开物质的运动，时间是不可思议的。 同样，物质的运动也离不开时间。物质的运动不能没有时间的形式。如果说某种东西过去没有、现在没有、将来也不会有，那就是不存在于任何时间中的东西，也就是根本不存在的东西。肯定了时间物质运动不可分，也就肯定了时间的客观存在性。时间是运动着的物质的存在形式，它们同物质运动一样是客观存在的。 七、绝对时间是不存在的 牛顿经典力学的绝对时间是机械论时间观的典型代表。牛顿的所谓“绝对时间”，就是把时间看成是同物质运动无关的绝对均匀流逝的纯粹的持续性，时间就象川流不息的河流，发生什么事也好，不发生什么事也好，发生这样的事也好，发生那样的事也好，它总是均匀地流逝着，一句话，时间同物质的运动是无关的。 显然，牛顿经典力学的绝对时间是不存在的。 八、时间与空间的关系 时间和空间是从不同的侧面和运动相关联的。空间是从位移的角度和运动相关联，时间是从某种特殊的周期运动和运动相关联。位移和特殊的周期运动是两个相互独立的概念，因而时间和空间也是两个独立的概念。也就是说，时间和空间除了和运动相关联外，再没有其它的关联。 空间、时间和质量是与速度的大小无关的。那种认为时间随着速度的增大而变慢，尺子随着速度的增大而变短，物质的质量随着速度的增大而变大的说法是没有道理的。 九、时间的度量和基准 时间度量的工具是钟。 在远古时期，人类以太阳的东升西落作为时间尺度；公元前二世纪，人们发明了地平日晷，一天差15分钟；一千多年前的希腊和我国的北宋时期，能工巧匠们曾设计出水钟，精确到每日10分钟误差；六百多年前，机械钟问世，并将昼夜分为24小时；到了十七世纪，单摆用于机械钟，使计时精度提高近一百倍；到了20世纪的30年代，石英晶体震荡器出现，对于精密的石英钟，三百年只差一秒。 自十七世纪以来，天文学家们以地球自转和世界时作为时间尺度：当地球绕轴自转一周，地球上任何地点的人连续两次看见太阳在天空中同一位置的时间间隔为一个平太阳日。1820年法国科学院正式提出：一个平太阳日的1/86400为一个平太阳秒，称为世界时秒长。 由于地球自转季节性变化、不规则变化和长期减慢，所以世界时每天可精确到1×10-9秒。 1953年是时频科学的一个新的里程碑。世界上第一台原子钟在美国哥伦比亚大学由三位科学家研制成功。1963年13届国际计量大会决定：铯原子Cs133基态的两个超精细能级间跃迁辐射震荡9192631770周所持续的时间为1秒。此定义一直延用至今。 十、什么是时空 因为空间只是某一瞬间实空和虚空的图象，它是静止的。因此要全面地认识自然界，还必须考虑到实空的运动。这种考虑到实空和虚空不断变化的活动图景称为时空。如果用公式来表示就是： 时空 ＝ 空间 + 时间 空间是反映物质的存在性，时间是反映物质的运动性。它们是物质两种不同的基本属性。 由实空不灭可知，自然界是永恒存在的。由一切实空都在不停地运动可知，自然界是永恒运动着的。因此，自然界既无起点又无终点。也就是时间无始无终。 十一、两种时空观 在牛顿力学中，时间与空间是绝对的。即：空间是绝对的——空间任意两点的距离与惯性系的选择无关；时间是绝对的——事件（过程）持续的时间与惯性系的选择无关；同时性是绝对的——同时发生的两个事件，在所有的惯性系中观察都是同时的；质量是绝对的——物体的质量与惯性系的选择无关。这一时空观与人们的经验是完全相符合的。 而狭义相对论时空观认为：时间是相对的，运动的时钟延缓——时间膨胀（钟慢）效应；空间是相对的，运动的尺度缩短——长度收缩效应；质量是相对的，质量随着运动速度的增加而增加。这一时空观与人们的经验是完全不相符合的。这一时空观错在哪里呢？ 我们在第二节中曾经指出：尽管狭义相对论的两个假设即运动的相对性和光速为常数是对的，但是，狭义相对论根据这两个假设得到的所有推论都是错的。这是因为人们至今并不了解光的本质，不懂得没有任何动坐标系能牵连光一起运动。在狭义相对论中把动坐标系对静坐标系的牵连速度作为动坐标系牵连光的速度是错的，实际上光的牵连速度u'= 0。 实际上，把u'= 0，代入以下狭义相对论公式中 t'= (t-u'x/cc)/sqrt (1- u'u'/cc) L = L0 sqrt(1-u'u'/cc) m = m0/sqrt(1-u'u'/cc) 可得 t'=t 、L=L0与m=m0 因此，所谓的收缩因子sqrt(1-u'u'/cc)为1，狭义相对论中的钟慢、尺缩以及质量随运动速度的增加而增加的效应都是不存在的。 只要理解了光的牵连速度u'= 0，狭义相对论的时空完全融入牛顿的经典时空。两者之间没有任何区别。这样就把狭义相对论统一到牛顿力学之中。 |