时间的测量

志勰

主要对时间的测量问题进行分析。重点在于一个重要的结论:相对论中时间观念不能成立的一个依据是时间单位问题所引发的时间与物质运动变化的关系。


     物质的运动变化通常都表现为某种变化,变化的本身就是物质的某种状态发生改变,这样就必然有某种持续的过程,这种持续的过程,就是我们通常所说的时间的感觉。

     在科学中确定事物的运动变化规律,首先需要确定事物某一时刻的状态,以及使事物这一状态发生变化的原因。(在力学的体系中,通常这种原因最终要归于力学的特点。)通常都要涉及到运动状态变化的计量问题,只有这一问题在确定的情况下,我们才有可能确定事物的运动变化规律。

     不论我们是确定物质的运动状态,还是确定物质运动状态变化的计量,我们都必须要用到时间的概念去处理,前者我们必须引用我们确定参照系中时间概念中的同时性的概念;后者我们却要用到时间本身的属性以及物质运动变化和时间本身的定义。只有如上两个问题在确定的情况下,我们才能对物质的运动变化、物质的运动变化规律进行确定。因此,时间本身的确定和时间的测量,对于科学而言也是非常重要的。

同时性的测定

    关于同时性的概念,《简明物理学辞典》中是这样说明的,“在同一或不同地点发生的两个事件的时间间隔,在不同参照系中是否相同的概念。........即同时性的概念在牛顿力学中是决定的。但在相对论中,同时性的概念是相对的.......”   (许国保 王福山主编  上海辞书出版社 1997年12月第一版。)

    典型的同时性的概念存在两种,一种是牛顿力学中根据先验经验的时间概念而得出的,同时性的绝对性,与参照系无关。这种观念是一种经验约定,是基本的不可再细分的概念。另一种是相对论从经验感觉实验的基础上而得出的同时性是相对的看法,不同参照系间的同时性是相对的。下面我们分开看看两种同时性定义的优点和缺点。

    1、牛顿力学的同时性

    我们在描述日常生活中的物体的运动变化,牛顿力学可以说是较为完美了。尤其是解决确定参照系中作为一个个体在空间中的运动变化,不论是从牛顿力学的定义体系还是解决问题的表达形式上,我们都不能找出逻辑上的问题。在牛顿力学的定义体系中,存在三种基本的定义,反映到描述的对象上就是时间、空间、物体的本身。将这三种量作为最基本的量,通过经验事实的约定,确定了三种物理量:时间的秒、长度的米、物体本身的质量。如上三种量是经验事实的约定,是先验的东西,我们不能通过逻辑的本身判定三种量,它们是逻辑中的基本单位,也是物理量中的最基本的量。即便是现在的科学中,也将它们看作国际单位制中最基本的量。

    时间是人们日常生活中的一种经验事实的约定,这一点可以在人类历史中的文化时间现象中得到说明。牛顿力学基于这样的经验事实,在日常生活中是很容易理解的。但是倘若从逻辑上来说,恐怕就有些困难了。

   我们判定的两个事件的主体必然同时存在。我们知道,判定两个主体同时存在不论我们采用任何一种方法,我们必然要直接或间接同两个物体发生作用,我们可以通过给两个物体发送信号,根据两个物体的反应进行判断,也可以通过两个物体给与外界的作用进行判定,如物体反射或发出的光线。在我们判断的过程中,我们判定的信号在空间中传递必然需要时间。在不同的惯性参照系中,信号的传递速度与惯性参照系存在一定的关系(关于这一问题,我在下面相对论的同时性中说明)。这样,就给我们在判定物体是同时性提供了一定的困难。

   但是,牛顿力学并未将这个问题考虑在内,我想这是因为在牛顿生活的年代,将地球作为普遍的惯性参照系,已经满足于人们对物理问题的解决,当时科学中的一些问题不需要引入相对的惯性参照系去处理。

    现代科学的发展所需要的精确度越来越高,同时范围也越来越大,小到基本粒子、大到宇宙天体。相应的,处理同时性的问题也越来越不能忽略。

    2、相对论同时性的相对性。

      同时性的相对性在爱因斯坦先生做得更容易理解的表述中是这样的:

   

    假设有一列很长的火车,以恒速在铁路上运动。在火车上的人们,通常以火车为参照系来观察一切事件。铁路线上发生的每一个时间也在火车上某一特定的地点发生,并且完全和相对于路基所做的同时性定义一样,我们也能够相对于火车做出同时性的定义。

     对于铁路路基时同时性的两个事件,在铁路路基为参照系判定同时性的两个事件,在火车上是否也是同时性的问题。如在铁路路基上判定的雷电同时击中铁路路基上不同位置的两处地点存在的同时性,但是在火车上我们却不能得到雷电击中路基上的两点是同时发生的。判定的根据是火车的运动使雷电闪光传播到观测者眼里和地表的观测是不同的。(注:爱因斯坦先生的考虑过程中,是采用路基上两点的中点作为对两个信号源发光的判断点)

       爱因斯坦先生并有这样的结论:每一参照物体(坐标系)都有它本身的特殊的时间;除非我们讲出关于时间的陈述是相对于那一个参考物体的,否则关于一个时间的事件的陈述就没有意义。

   (我在这里是将爱因斯坦先生的看法描述一遍。此一部分内容您可以参见《狭义与广义相对论浅说》 A.爱因斯坦著  杨润殷 译   胡刚复校     上海科学技术出版社 P21)

     您可以看到,在爱因斯坦先生对同时性的相对性的理解是相对于我们实际判定的途径上,着重于我们得到同时性的实际过程。但是,由于考虑到我们采用的测定同时性的信号也需要时间,至少给与我们的经验感觉判定的同时性在事件发生的过程中,在不同的参照系是不同时的结论。我想,这样的判定方法是存在问题的。

   首先,我们不能采用物质事件给与我们的同时性的经验感觉作为实际同时性的判定结果。我们知道,太阳距离我们很远,光线从太阳传递到地球,需要大概8分钟左右的时间。我们不能根据太阳光线入射到我们眼里给与我们同时性的感觉判定太阳发光的时刻和太阳光入射到我们的眼睛的时刻是相同的时刻,太阳发光的时刻据我们眼睛感觉到太阳光线的时刻是相距8分钟左右的时间,由于地球是绕太阳旋转的,太阳和地球之间的相对速度很小,可以近似作为相同的参照系,我们是否可以说时间的同时性在空间距离上也具有相对性呢?我想任何一个人都会给与否的看法。采用速度最快的信号,即便是光也不能例外,我们不能将事件给与我们的直观同时性的经验感觉作为事件实际同时性判定的依据。

    当然,爱因斯坦先生对同时性判定的实际性的和我刚才提出的同时性的判定方法、途径、对象是不同的,甚至时间的本身也是不同的。在爱因斯坦先生得到相对性的同时性的过程中,存在一个相对参照系——火车的运动参照系。在考虑的过程中,要涉及到火车的运动。火车的参照系和路基的参照系存在一定的速度,爱因斯坦先生考虑的是在不同的参照系中的事件给与我们时间的同时性的感觉。对于感觉给与我们同时性判定的依据是相同的。如果我们将光线的速度、火车的速度都考虑进去,我们仍然可以得到,在路基上是同时性的事件,在火车上的判定也是同时性的的结论。

        实际上,如上爱因斯坦先生所提到的同时性的相对性,远不是相对论中的同时性的相对性。关于如何将同时性的相对性引入相对论的,我这里就不再重复这些历史看法了。仅根据相对论的结果进行可行性的分析,得出的和传统方法不同结果不同的结论。对同时性的相对性的历史引入过程有兴趣的朋友可参见《相对论》 [奥] W.泡利 著   凌德洪  周万生 译   上海科学技术出版社  1979年6月第一版P1-27。

     ( 1、) 同时性时刻的确立

   在爱因斯坦对同时性的表述中,我们可以看到,一个事件的发生,在不同的观测者眼里,在不同的参照系中会存在不同的事件时刻。在其间爱因斯坦先生引入了确定事件的时间的光信号。

    如果我们不引入和我们的经验感觉相关联的光信号,那么,我们就不能确定事件是否发生,因此也就没有这个问题的讨论。但是,我们引入和经验感觉相关量的光信号,那么,光信号从事件发生的一刻到我们感觉的一刻必然在空间中进行传递,这一过程就必须需要时间。因此,事件发生的某一时刻就存在两种判断方法。

     一种是采用给予我们的直观的经验感觉为基础,采用光信号给与我们的感觉来判断某一事件发生的时刻和我们观测的时刻是否是同时性。

     这样的问题我想是不用讨论的,因为日常生活中的事实已经告诉了我们此问题的答案了。比如,在城市中发生的一件事情,经过几天以后才传到一个偏远的乡村里,我们不能判定这件事情发生的时刻和偏远乡村里听到这件事情的时刻具有同时性。

   另一种判断方法是采用普遍的时间定义标准去判定事件的同时性。即:通常我们要针对事件进程指定这一事件是某年某月某日某时发生。我们所指定的时刻就是我们所说的在时间进程中的位置,在正常状态下,我们通常都对时间进行普遍的矫正。对于同时性,我们所采用的依据是某年某月某日某时,采用这种同时性的判断标准,并作为描述依据。

    在物理过程中,如上的两种方法具有等效性。如果我们知道一个事件发生的标准时间,并且确定不同时间和地点任意时刻的标准时间,那么我们可以采用第二种方法去描述物理的过程。如果我们不知道一个事件发生的标准时间,那么我们就必须选用第一种方法。如爱因斯坦先生对同时性的相对性的描述;在地面上观察是同时性的事件,其前提是信号源发出的信号到距离相同的两点所用的时间是相同的,经验感觉具有同时性。在火车上的观测者得到事件发生相对于普遍性的时间定义标准是不同的,或者说经验感觉不具有同时性,是因为信号源发出的信号到达观测的两者所经过的时间是不同的,是因为我们没有排除掉光信号的传播问题,两者的路径所在的参照系存在一个方向的问题,所需要的时间是不同的。在同时性的判定上,我们没有理由不将这些考虑在内。一个惯性参照系相对于另一个惯性参照系具有矢量的特点,不具有各向同性。如果我们将这些理由考虑在内,相对论中同时性的相对性是不能成立的。(对此,您可以参见时间的属性)

时间的测量

       在牛顿力学中的时间是一种最基本的东西,是恒定的,与参照系无关。我们采用通用的时间计量标准就行了。这里主要讨论相对论中的时间测量。

    相对论时间的测量是经过实验的证实的。大家都知道几方面如:原子钟的环球航行试验、多普勒频移效应、飞行介子寿命的增长。相对论所赋予时间的属性已经得到大家确认。我这里根据相对论的观念提一点与测量的相关问题。

    首先是相对论的测量环境。虽然近代物理中已经反对将因果性纳入到微观物理世界,但是,我在这里仍然要强调事件的因果,否则我们将无法进行逻辑性的判断,并且理论的本身也是一种因果性。

    我们首先假设相对论关于时间观念的结论是正确的。并且严格遵守相对论公式所赋予的时间关系。

    其次,我们必须确定测量工具。1971年,Hafele和Keating完成的原子钟的环球航行试验是采用四只铯原子钟放到飞机上,飞机在赤道平面附近搞速度向东及向西绕地球航行一周后回到地面,然后将飞机上的四只钟和地面上的铯原子钟进行比较。这里我们仍然以铯原子钟为例来说明这个问题。

    如果我们采用铯原子钟作为判断不同参照系中时间的工具,那么我们必须确定铯原子钟计量时间的方式。我们知道铯原子钟是以铯原子某种运动的周期作为时间计量标准的。那么剩下的问题就是铯原子钟这种运动的周期和不同参照系间的关系了。

    依据相对论,物质的运动速度和物质的质量存在确定的关系,这依赖于我们采用确定的参照系对物质进行计量。相对于这一参照系,物质在不同参照系中的本身的属性会存在不同。关于这样的判断,相对论的探索者们并没有排除这种可能。比如:“洛伦兹和Fitz-Gerald曾提出过:当物体以平移速度ν移动时,会改变它们的线度。这种沿运动方向的线度改变是由因子shjdcl-0.gif (1032 字节)决定的。”   《相对论》 w.泡利著 凌德洪 周万生译    上海科学技术出版社  p2。我们不能排除物质本身的属性会随不同的参照系而存在不同,因此我们同样也不能排除铯原子钟在不同的参照系中原子运动的周期会存在不同。

    如果相对于静止参照系几个铯原子钟的走时是相同的(甚至是完全是相同的),那么,将其分置在两个不同的参照系中,假设一个参照系是原参照系,另一个参照系是相对于此参照系是运动的参照系,那么两个参照系中的铯原子钟由于自身的属性发生变化,两个参照系中的铯原子钟的运动周期会存在变化,我们可以观测到两个不同的参照系在一段时间以后在进行比较,铯原子钟的运动的周期数量会存在差异。这样的结果完全可以归于物质运动不同的速度给与原子不同的运动周期所形成。这样的结果丝毫不能提供时间可变的依据。换句话说,存在另一种解释的途径。这样的试验不能证明相对论的时间观念。但是,这毕竟是一种假设。

     如果相对论时间观念判定的依据来源于此,那么,这不能作为一个成功的试验。原因如下:

     一、相对论不能提供时间和普遍的物质运动变化间确定的关系。

         虽然相对论提出了物质运动的相对速度和时间的关系,但并没有提供相对论所说的时间在物质运动变化中普遍的关系。即:是否具有普适性的问题。是否可以普适于所有的这一参照系中的物质的运动。您也可以在相对论的时间与速度的公式中去证明一下,看一看能否找到时间与原子运动周期的关系。在不同的参照系中是否存在不同。

     二、相对论的时间观念最初是用于解决不同参照系中光速的问题。仅是一种数理关系,关于时间本身的问题,除了物体运动速度所表现出的物质本身和时间的数值关系之外,我们不能找到和牛顿力学的时间观念有任何的不同,时间仍然是建立在经验感觉上的先验约定。相对论中的任何一种参照系的时间,相对于本参照系中的物质运动变化来说,具有普适性,我们不能依据相对论给它以否定或者肯定。

         我们传统所采用的检验方法是通过各种途径:孪生子(实际上这样的说法只是在假设中)原子钟的环球航行、氢的极隧射线、飞行介子的寿命等等,在某种意义上来说,对于物质的运动变化,相对论中的时间概念针对于相同的参照系具有普适性。但是,这毕竟只是一种假设,在不同参照系间关于时间与普遍物质运动变化的关系并不能提供理论上的证明。

     三、如果将钟表仅作为计量时间的工具来说,不去考虑它的内部结构和属性与物质运动参照系的关系,至少在传统中我们对时间的计量中,包括对相对论时间观念的检验,是这样确定时间的。那么,如果相对论的时间观念是正确的,那将不能观测到两种不同参照系间时间的差异。原因如下:

   如果在物质运动变化过程中遵守相对论的时间观念,并且严格遵守相对论所确立的物质的运动和时间的关系。在一个确定的惯性参照系中有两个铯原子钟,我们让其中一个铯原子钟到另一个惯性参照系中以一个确定的速度去运动。如果相对于原参照系运动的铯原子钟所在的惯性参照系的时间满足相对论的关系

shjdcl-1.gif (1129 字节)    

那么,在一段的时间间隔里,t'和t两个参照系的时间的关系就是如上的关系。但是,铯原子钟所记录的仅是多少个单位时间的数值。那么,单位时间里应该也满足这种关系。即:t'参照系中单位时间的量值和t参照系中的单位时间的量值仍然是如上的关系。这一点是由铯原子的运动变化规律决定的。

   四、最后一个问题是时间单位的问题

  在涉及到两个不同的参照系中时间的单位,两个参照系中的时间单位是否相同。依据相对论时间和物质相对运动速度的关系,不论我们是采用t`还是采用t参照系作为时间的单位,时间的基本单位是相同的。

   但是,在相对论中并没有关于基本时间单位的定义的说明,我们不能区分在两个不同的参照系中时间单位有任何的区别。我们也找不出关于单位时间在两个参照系中进行统一定义的方法。如果我们不能对两个单位时间进行统一的定义,那么,相对论中对不同参照系间时间的描述是没有依据的。换句话说,没有意义。

  依据相对论,我们不能确定两个不同参照系中的时钟的基本单位是相同的,否则这样将会把钟表的运动和其它的物质运动变化分开出去。即:承认钟表的运动变化与参照系无关。如果我们确认钟表的走时在不同的参照系中是不同的,即:在实际测量上单位是不同的。那么相对论的时间计量公式首先采用试验检验的方法是不能成立的。换句话说,不能采用试验的方法进行证实。

   我们不能对两个单位时间的关系在不可证实的情况下对两个参照系之间的时间关系进行检验。

    五、试验检测的结果

    在对相对论时间观念的实验证实中,试验现象的确观测到确定的结果,并与相对论的理论预言相符。我们将如何看待这些问题呢?

    通过以上的分析,如果我们考虑到时间单位的问题,如果是两个不同参照系中的铯原子钟,那么,理论上应该看不到时间在不同参照系中不同的结果。即:两个参照系中铯原子钟对一段时间的数值计量是相同的。这说明相对论的时间观念是错误的,至少是相对论中的时间观念,和不同参照系中的时间和物质运动变化过程的普遍关系。时间不具有普适性。如果将两个不同参照系中的时间单位定义为相同的时间单位,铯原子钟的走时与不同的参照系无关,是可以对实验结果进行解释的。即:相对论的观念是正确的。但是却不能解释铯原子钟的运动变化规律与参照系无关,换句话说,相对论的时间观念在铯原子钟的运动变化中不能成立。这仍然导致相对论的时间观念不能成立。

    如果我们是采用宇宙射线中飞行μ介子的寿命来对相对论的时间观念进行解释的。那么我们仍然不能逃避这样的一个问题。

       高速飞行中的μ介子的寿命比相对于地球上的介子的寿命要长。如果我们考虑到μ介子所在的参照系中的时间单位,那么我们可以得到相对论所理论预言的数值是不对的。因为两个参照系中的时间单位不同,高速飞行的参照系的单位时间要大于地面上的时间单位。

    但是在实际测量中它和地球上μ介子的寿命是相同的。(这是依据相对论的计算方法,将两种时间单位进行转换)即:μ介子的寿命如果采用相对论来计算,理论值与实际数值是不相符的。

    对相对论时间观念在传统中支持相对论的试验,在考虑的时间单位的问题,对相对论却只能起一个否决性的作用。

   现在我们再来看铯原子钟在不同参照系中对时间的计量。

    铯原子钟仅是记录一段时间有多少个时间间隔,如果单位时间间隔满足如上的关系,总的时间间隔也满足于如上的关系,两个参照系中的铯原子钟所纪录的经过都少个基本的时间间隔应该是相同的。那么,采用铯原子钟对两个不同参照系时间的计量将不能存在数值上的差异。换句话说,如果相对论的时间观念是正确的,采用钟表去计量,是不能测量出这种时间效应的。

    如上对相对论时间间隔的计量问题也适用于其它的情况下。如:加速运动、引力场中的时间变化等。这样,理论上来讲,我们将不能观测到时间膨胀效应。

    关于如上的判定方法的有效性问题

         相对论并不否认不同参照系中的时间对对它自身参照系普遍的物质运动变化具有有效性。如果在这一参照系中普遍的物质运动变化都遵从相对论所定义的时间方案,那么,我们没有理由怀疑单位时间也要遵守这一原则。即:单位时间记录的的间隔问题。如果换成物质运动间的描述来说,原子某种运行的周期、钟表指针的运动,都要遵守这一定义的标准。那么,理论上来说,我们将不能计量到两个惯性参照系之间的时间有任何的不同。除非相对论对时间的这种定义方案不能成立。

     如果相对论对时间的定义方案对于本身参照系中的物质运动变化来说,不具有等效性。比如:钟表的运动周期在所有的参照系中都是确定的常数,即:所记录的时间间隔数值与参照系无关。实际上钟表的运动和普通的物质运动变化本没有区别,仍然是物质的一种运动,这样的定义是没有任何道理的,钟表的运动变化不能脱离物质运动变化之外。它也是一种物质的运动变化。也遵守普遍的物质运动变化规律。

     这样的定义方案可以改变理论与实验计量的有效问题,但却不具有什么意义。不能将钟表的运动变化独立出去。

   

      如果将相对论的时间定义方案仅看作调节光速为一常数的结论。这样的调节相对论的爱好者们不会满意的。如果相对论不具有与实际的物理意义相关联的物理关系,那么,相对论的建立也就没有什么意义了。更为重要的一点是,在现代物理中,我们采用的相对论的计量方法对物理世界的的解释中获得了很大的成功。这样的改变对物理事实的解释方案会存在较大的变动。

    一种事物会存在不只一种的解释方法,但相对论的解释和实验事实在现在看来是较易理解的一种。但是相对论逻辑上的困难,我们仍然需要尝试从其它的角度去去寻求解释。

    关于环球航行的铯原子钟试验的一个问题。

    关于环球航行的铯原子钟的试验。铯原子钟环球航行是在赤道沿东西两个方向环球一周。针对不同参照系在铯原子钟的数值计量上存在不同。以本文的看法,如果相对论的时间定义方法成立,那么,我们将不能观测到实际数值不同。在铯原子钟环球航行的过程中,除了相对论的时间观念之外,我认为还有一种对航行中的铯原子钟的作用——地球磁场。

    根据我对地球和太阳之间的相互作用提出的地磁方案(参见地磁与雷电能量的起源),沿两个不同方向飞行的铯原子钟,地磁强度是不同的。和铯原子相互作用的不同,会引起铯原子运动变化的不同。当然这只是一种可能性的猜测。

2000.7.24

修改日2000.8.1