#1 什么是时间？ （2）
什么是时间？ （2）
应南京大学一个草根学生社团之邀，我为他们开了一个讲座，非学术性，互动，题目叫“什么是时间？”
说老实话，这个题目我也讲不清楚。之所以出此题，无非是避个嫌疑，非学术可以，但不要和政治挂上钩。虽然我是个化外之人，可在国内讲话还是抖抖索索，生怕一个门没把好，抖落出几句人家不待见的话，弄得大家都没趣。不讲吧，看到孩子们一脸的渴望，一脸的盛情，实在不忍相拒，于是硬着头皮接下了这差事。
什么是时间？于我来说，似是而非，雾里看花。当年写《分布式系统》一书，为了搞清这个问题，着实翻了不少的书，却越读越糊涂。于是我告诉同学们：
时间是一条直线，
时间是一条曲线；
时间是凤凰涅磐，
时间是幼蚕破茧；
时间是花开花落，
时间是月缺月圆；
时间是思想跳跃，
时间是人生变迁；
时间是度日如年，
时间是光阴似箭。
我的时间 --
我说不清楚，
你们有时间 --
搞清你的时间！
韩愈老先生曾教导我辈：“师者,所以传道受业解惑也。”自己尚且搞不清楚，迷惑不解，又有何颜面开讲座呢？岂不是误人子弟吗？当然，我有我的道理。表面上看，什么是时间，这个问题太简单，似乎在询问一个人人都知道的普通常识。而仔细思考一下，却发现这个问题太复杂，直到今天科学家们都找不到一种令人满意的解释。正如公元四世纪思想家圣·奥古斯丁在他的《忏悔录》中所说的那样：“什么是时间？没人问我，我很清楚；一旦问起，我便茫然。”
抽象地说，时间应该是不依赖于任何其它事物而独立存在的、无休止地均匀流逝的客体。在中学数学、物理课本中，时间被表述成一条有起点、有单位、有方向、可以无限延伸的直线。这就是所谓的牛顿“绝对时间”，也是直到本世纪初被普遍接受的科学时间概念。从传统物理学的角度看，时间和空间都是绝对的。时间是在一定的参照系下，对宇宙中物质运动过程的一种“计量”，没有物质运动就没有所谓的“时间”。物质的运动过程具备持续性和不可逆性。所谓持续性，指的是过程的因果性和不间断性；而所谓不可逆性，指该运动过程可以重复但绝不能返回过去的那种性质。
人类进入二十世纪后，物理学、天文学的新科研成果、新科学发现向“绝对时间”的基本观念提出了挑战。爱因斯坦狭义相对论指出，时间不能脱离宇宙及其事件的观察者而独立存在，时间是宇宙与其观察者之间用来测度物质运动变化的定量方法。爱因斯坦将时间和空间看作是相对的。时间作为三度空间的另一维，构成所谓的四度空间。爱因斯坦的结论是，每一参照系都有自身的特殊的时间，除非我们对于时间的陈述定义是相对于那个参照系的，否则对时间的定义就没有意义。例如，由于引力场的原因处于地球表面不同高度的时钟走速不一样，海拔越高钟速越快，差值约为1.09×10-16秒/米（海拔），即每升高100米，时钟变快百万亿分之一秒。
然而，哲学家们并不满意物理学、天文学中对时间的表述。一个重要的哲学观点就是时间的存在并不依赖于某个参照系。黑格尔在《精神现象学》一书中说：“时间和空间或距离和速度在它们本身内并不能表示它们是从同一个根源派生出来，它们彼此之间是漠不相关的。”
史蒂芬·霍金（Stephen W. Hawking）在他的《时间简史》一书中写道：“时间箭头将过去和将来区别开来，使时间有了方向。至少有三种不同的时间箭头：第一个，是热力学时间箭头，即是在这个时间方向上无序度或熵增加；然后是心理学时间箭头，这就是我们感觉时间流逝的方向，在这个方向上我们可以记忆过去而不是未来；最后，是宇宙学时间箭头，在这个方向上宇宙在膨胀，而不是收缩。” 然而，无论物理上的时间定义还是史蒂芬·霍金所描述的时间都无法由数理模型或公式所表述及验证，而且在天文学、哲学、文学、生物学里，都存在对时间的不同理解、不同应用。
因此，时间到底是物理的还是心理的？是主观经验的还是客观存在的？对时间的感受是绝对的还是相对的？时间真的不可逆转吗？时间是无始无终吗？这些问题一直在困扰着古往今来的哲学家们。概言之，“什么是时间？”的问题实质上是探索时间的本质。这只是极少数科学家、哲学家潜心研究的课题，而且远没有得出一个令人满意的结果，看来还需要长期探索下去。
所幸的是，我们通用的时间概念，采用比较直观而且容易理解的定义。人类在历史上所用的方法是将地球围绕太阳的运动和月球围绕地球的运动作为时间定义的出发点。从认识和测量时间的发展历史看，人类在晨起暮归的生产劳作中，逐步产生了“日”的概念；从月亮圆缺中得到了 “月”的概念；从寒来暑往的四季变化总结出“年”的概念。古代中国人就已经知道，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。时间是人们针对太阳、月亮的运动过程进行的量度。人类生活中的历史事件或日常事物所发生的种种变化，都笼罩在这个巨大的参照系之中。实际上，通过这样的定义，人们已经把天体运动的概念转化为一种抽象的概念，并以此作为时间定义的方法。这种时间定义及其相应的时间基准、时间度量被用来描述我们生活中的所有的事件的运动变化过程。换句话说，在某一事件运动过程中，人类生活中的其它事件也在(同时)发生。对所有的事件采用统一的运动变化过程的描述方法就是时间。而人类所使用的时间度量方法，从远古的日出日落，公元前的圭表日晷，千年前的沙漏水钟，六百年前的机械钟表，直到二十世纪的石英晶体震荡器乃至原子钟，时间越来越标准，也越来越精确。
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。由于一个平太阳日被分为24小时，每小时为3600秒，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。根据世界时秒长度量的时间被称为世界时(UT1：Universal Time 1)。由于地球自转季节性变化、不规则变化和长期减慢，所以世界时每天只能精确到1×10-9秒。在原子钟问世前，秒长是基于自转时(平太阳时)，但石英钟出现后，发现了地球自转的不均匀性，自转时不能作为时间基准。
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9，192，631，770周所持续的时间为1秒，被称为国际原子时(TAI: International Atomic Time)。此定义一直延用至今。目前，有大约50多个分散于世界各地的实验室拥有铯原子Cs133时钟，这些实验室定期地向位于法国巴黎的国际时间局(BIH：Bureau International de l’Heure)提供测时信息。国际时间局为世界各国的授时中心提供准确的时间服务数据，并保持着国际原子时尺度。1979年开始，TAI已在全世界全面使用，历元时刻与时间间隔都用原子时。而原来的世界时仅在与地球自转有关的研究工作或应用领域中使用。
我们日常所用的北京时间既不是原子时(TAI)，也不是世界时(UT1)，而是协调世界时(UTC：Coordinated Universal Time)。世界时以地球自转为基础，而原子时以能级跃迁辐射震荡为基础。原子时是均匀的计量系统，这对于测量时间间隔非常重要。但世界时每时每刻都反映了地球在空间的位置，这也是需要的。为兼顾两者，便引入了协调世界时系统。UTC在本质上还是一种原子时，因为它的秒长规定要和原子时秒长相等，只是在时刻上，通过人工干预，尽量靠近世界时。
为了使协调世界时(UTC)尽量靠近世界时(UT1) ，我们就必须在必要时对UTC作一整秒的调整（增加1秒或去掉1秒），使得UTC和UT1的时刻之差保持在±0.9秒以内。这一技术措施就称为闰秒(或跳秒)，增加1秒称为正闰秒(或正跳秒)；去掉1秒称为负闰秒(或负跳秒)。是否需要闰秒，由国际地球自转服务(IERS：International Earth Rotation and Reference Systems Service）决定。闰秒的首选日期是每年的12月31日和6月30日，或者是3月31日和9月30日。如果是正闰秒，则在闰秒当天的23时59分60秒后插入1秒，插入后的时序是：…58秒，59秒，60秒，0秒，…，这表示地球自转慢了，这一天不是86400秒，而是86401秒；如果是负闰秒，则把闰秒当天23时59分中的第59秒去掉，去掉后的时序是：…57秒，58秒，0秒，…，这一天只有86399秒。
在许多国家，精密时间和频率是通过无线电播发出去的。1904年开始播发无线电时间信号(时号)用于海上导航，现在无线电时号用于科学和技术领域。高频发播时号的精度为1毫秒；而甚低频发播标频，校准频率的准确度达10-11。通过飞机搬运小型铯钟，可以将全球的时间同步到1微秒；人造卫星可同步到0．1微秒。
我想，我的这篇东东，对想了解“什么是时间”的人们来说，兴许会有所帮助，兴许更让人糊涂。
|
