物理世界的时间概念

志勰

探讨的是物理世界的时间概念问题。主要是方法性的分析。


      从描述物质世界的运动变化本身出发去探讨物质世界的时间观念,通常探讨的是科学的时间观念。这需要我们从客观的角度排除掉我们自身的经验感觉去考察时间的本身,实际上,在我们探讨的同时,是不可能绝对的排除掉我们头脑中的感觉因素,因为我们头脑中还有主观的逻辑判断。绝对的物质世界的时间概念,要求我们屏蔽掉头脑中的时间观念,或者我们不能用时间这一词来描述事件的时间概念本身。

    但是,时间自古就作为最基本的概念引入到人们的日常生活中,即使在科学中时间的单位也是最基本的单位之一。从牛顿力学一直到现代的量子论和相对论,时间的经验感觉一直作为我们描述物质运动变化中必不可少的最基本概念之一,虽然在相对论中时间的概念和牛顿力学中的时间概念存在不同,但在时间概念的判断方式上——时间是最基本的概念,其属性是没有什么区别的。

牛顿力学中的时间观念

    在牛顿力学中,物质运动变化过程中时间与物理量间的关系通常是由如下两个关系进行定义的:

S=νt

ν=αt

    前者表示物体以确定的速度运动时,物体的运动距离和速度、时间的关系。后者表示物体在改变运动状态的过程中,物体的运动速度和加速度、时间的关系。在如上两个物体运动变化的重要的等量关系中,其中s为空间长度,其基本单位为米。现在我们把它定义为国际单位制中的基本单位。在两个等量关系式中还有一个国际单位制中基本的单位,那就是时间了。通常我们认为,国际单位制中的基本单位,是表示物理量的最基本的单位了。速度我们可以采用物体运动的距离和时间进行定义,但是,距离与时间却是不能通过普通的物质运动变化进行定义,这只是因为我们把它看作物理关系中最基本的量之一。

    如上我们不难看到,牛顿力学中的时间的定义是一种对物质运动变化过程中的一个约定,也可以说是对人类的经验感觉和外界事物的一种经验约定。在这种意思上来说,它是一种永恒不变的东西,基于这样的含义,时间与物质运动变化的过程无关、于物质的运动变化状态无关,也是在这样的意义上来说,时间是独立于物质运动变化过程、物质运动变化状态之外的东西。与物质的存在状态无关。(空间也亦如此)

   牛顿力学中的时间观念主要反映在牛顿力学体系中的时间和其它物理量的关系上,时间作为牛顿力学中不变的量以判定物质运动变化在空间中的运动变化过程。一方面,在描述物质运动变化过程中时间作为一个不可缺少的量,另一方面,时间的本身与物质运动变化无关。这至少是牛顿力学中时间的特点。

    普遍的时间的观念在上篇文章中已经说明了这样的看法,时间的概念是基于人们日常生活中时间的观念,依据地球的公转、地球的自传、月球的公转而得到的年月日时的经验感觉而定义的时间概念。并以此为参照描述所有物质的运动变化。

    关于时间的本身,我们在牛顿力学中并不能得到满意的回答。对物质运动变化过程进行时间经验约定的处理,这至少缺少逻辑的依据。我这样说并不是反对在物质运动变化过程中进行经验约定,也并不是针对时间反对这种约定,而是认为,这种约定在未经过逻辑论证的基础上、在时间的概念是否普适于描述整体的物质世界还不清楚的情况下,将时间的概念扩展到描述所有的物质世界,这至少是时间概念的扩展。当然,这不是牛顿力学的错误,而是在将牛顿力学的描述体系扩展到整体物质世界的范围的时候,一种经验的失误。主要表现在物质运动变化的过程中。

    时间作为一种经验事实的约定来说,对于解决宏观、低速物体的运动,尤其是在确定的参照系中去处理物质的运动变化已经足够了。对于不同参照系中的数值换算,就出现了一些问题。一方面是作为时间的基本单位对物质运动变化的描述不具有普适性,(主要是时间和物质运动变化的物理量间的关系)另一方面在于我们对于不同的惯性参照系统所引入的不同的时间定义方法(或者说处理不同的惯性参照系统所采用的描述不同的物质运动状态的方法),其中包括物质运动变化本身在描述体系中的定位。这一问题是一个世纪以前相对论建立的前夕人们去解决光速的问题而引发的。

相对论的时间观念

   在讨论相对论的时间概念以前,我必须说明一下,由于相对论的时间观念和空间观念以及物质的运动是不能分开的,将时间的观念完全独立出去是不可能的,因此必然有一部分遗留问题。如果您不能接受这样表述的话,我建议您同时参阅空间观念和物质的属性。如果您可以接受这样的描述方法,您就沿我的写作顺序来浏览。本文没有说明的问题会在其它相关的文章中进行说明。

   在历史上,相对论时间观念的引入是由光速的问题而引发的在不同的参照系中,电磁理论中的麦克斯韦方程组的变换问题。洛伦兹、邦卡勒、爱因斯坦对此做出了出色的贡献。如果您对此感兴趣的话,您可以参阅《相对论》 w.泡利著 凌德洪 周万生译   上海科学技术出版社  p1-27。本文只探讨与时间有关的问题,其它的不做讨论。

    时间概念的引入,在人们的社会生活中是为了方便的确定对事件的描述,在物理中我们也不能逃脱这样的目的,对事件的定量。在不同的参照系中,如果我们要比较一个事件的发生瞬时、发生过程的时间计量问题,我们首先必须确定事件的同时性的问题,否则我们将无法在两个参照系中去讨论同一事件的时间问题。

    日常生活中我们通常采用广义的参照系来对时间问题进行矫正,即:对于地球上的事物,通常采用天体间的运动变化如太阳和地球间的相对运动来完成。在地球上,对于处于地球上不同纬度、不同地理位置的事件,通常采用引入地方时进行矫正。对于同时性的判断,爱因斯坦先生通过如下的事件进行了说明:

     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信号源发光点。通过在两点观测所给与我们的经验感觉。)

       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)

      在假设了光的速度在宇宙中的传递为一常数(通常的描述为三十万公里每秒)的基础上,针对不同的参照系,时间是不同的。两种参照系之间的时间转换关系为

wlshjdshjgn1.gif (1195 字节)

    相对论的时间观念与空间、物质的运动实际上是不能分开的,孤立的去探讨相对论的时间概念,不是很合适的。在我看来,相对论的时间观念只是通过数理关系去调节物质的运动变化,在理论上基本概念在数理逻辑中达到统一,并具有普适性。

    我个人并不赞成这样的描述方法,这样的对物质运动变化的定义体系,并不符合真实的物质运动变化的逻辑。在这样的定义体系中,充满了逻辑上的矛盾。

时间定义的基础

    我们首先看一下时间的定义。

    在日常生活中,我们是采用地球围绕太阳公转一周作为时间年的单位、月球围绕地球公转一周作为月的单位、地球自转一周作为天的单位。在科学上,1956年国际计量委员会将秒规定为1900年1月0日12时正回归年长度的1/31556925.9747。这种以地球公转为基础的时间标准称为*历书秒。1967年第十三届国际计量大会又采用以原子内部辐射频率为基准的时间计量系统,成为*原子时。按新规定,“秒是铯-133原子基态的两个超精细能级之间的跃迁所对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间”。

   我们可以看到不论我们在生活中还是在科学中,我们对时间的定义都没有采用一个固定的参照系。而是采用物体运动变化的某种周期作为时间定义的方案。我们对时间定义的本身并不能确定,现在我们所采用的时间到底是采用哪一种参照系定量的。我们更不会怀疑,在不同的参照系中,地球运动的的周期会发生变化,太阳围绕地球公转一周、地球围绕自身自转一周。不论我们在任何一个参照系中,地球仍要遵守它自身的运动规律。如果我们对时间的定义采用地球围绕太阳的自转和公转作为定义的方案,那么,毫无疑问,时间是一个不变的恒量。

    关于原子计时的方法,我们在逻辑上不能否认,原子钟所在的参照系不同,原子内部活动的周期会存在可能性的变化,但原子内部活动的周期所发生的变化是归根于原子所在的参照系发生的变化与参照系本身存在一定的关系,虽然可以采用时间作为调节物质运动变化的周期进行解释的方案,但是也存在其它的调节方法,归到时间上的解释只是调节物理关系的方法之一。

   在牛顿力学中,时间作为最基本的单位,同时也是最基本的物理量,原则上来说,我们不能通过物理量间的逻辑关系去判定时间的结构。在相对论中,时间作为调节物质运动变化等量关系中的重要的物理量之一也是基于光速恒定的一种约定。从爱因斯坦对不同参照系中时间的解释中,我们不难看到,这样的解释并不能给与时间以新的含义,事件同时性的概念也仅是基于一种经验感觉。对于物理世界,如果我们追求的是物质世界运动变化的本身,那么,我们必须排除掉外界事物给与我们的经验感觉,而去求证物质运动变化的本身。在爱因斯坦先生所提出的判定事件在不同参照系中同时性的判定说明中,我们可以看到,只要我们将光的传播速度和火车的运动速度考虑进去,那么,我们仍然可以得到在不同的参照系中,事件的同时性与我们所在的参照系、我们所选用的参照系无关。(您可以参阅时间的属性)

    这样,对于时间的定义,就有这样两个问题摆在我们面前。

    一个是定义时间的目的。

    在牛顿力学中,时间是作为度量物质运动变化过程流程的一种参照,通过我们所定义的标准的时间单位,去衡量物质运动变化本身的变化规律。时间的目的就是描述物质运动变化的参照,并提供一种事件运动变化的标准流程的计量模式,同时,它又是事件进程描述的一个基本的物理量。

    在牛顿力学中,时间的单位的确是一个不能划分的物理量的一个最小的单元。

    在相对论中,时间的定义就不是这样单纯了。首先,它是为了解决光速在宇宙中的传递为一常数的假设而对物理量间的关系所做的数理关系处理的一种方法。我个人认为,相对论的时间观念对物质运动变化的本身所做的解释并不能让人满意。在对物质运动变化描述的流程中,我们不能找出,相对论中的时间概念对物质世界描述的基本的作用、意义,和牛顿力学中的时间观念有任何的不同。如果时间的定义脱离了建立物质运动变化持续流程通用的参照,那么,作为物质世界的时间,是没有任何意义的。

    另一个问题是定义时间的方法。

        如果我们采用地球围绕太阳的公转或者地球自身的旋转或者月球围绕地球的公转作为时间定义的方案,那么,在这种方案中,我们参照的主体是物体运动变化的某种周期,可以说我们定义的标准是非惯性参照系。是以非惯性参照系的某种运动的周期或者某种进程作为时间判定的依据,并以此对物质运动变化过程进行进程的判定。我们实际所做的只是拿物质运动变化过程和这一标准的事件进程作比较,我们通常是这样描述物质运动变化的时间进程的,物体从A地到B地,用了多少时间;或者物质从某种状态到某种状态,在多长时间里完成的。其中多少时间或者多长时间是指的我们所采用的标准事件的进程。如钟表的时针、分针、秒针运动的过程,我们赋予它时间的单位,并且它们持续的过程,就是时间的属性。

    我们如果认可这样的定义方法,那么,时间仅依赖于我们所采用的标准的运动事件的持续过程,于其它任何事物、我们所采用的任何参照标准(指惯性参照系)无关。这样,时间的本身是一恒量。

    我在这里说一下与此不同的一种对时间的定义方案——相对论的定义方案。相对论中的时间定义方法是与参照系相关联的。一个确定的惯性参照系,对应着一个确定的时间标准。这样的定义方案是经过科学实验进行检验的,并与实验的经验事实相符。我认为传统的测量方法不能完成对相对论时间观念的检验(您可参见时间的测量)

    相对论中的时间定义方案是建立在这样一个基础上,即:基于光在宇宙中的传播速度为一常数,在不同的参照系中相对运动的物体,会存在相对速度并且其间的相对速度和两个物体本身的惯性系存在确定的关系,依据常规物质的运动,两个物体之间的相对速度遵守速度相加原理,相对论的处理方法是将时间、空间和物质的运动速度之间的关系通过一个特定的关系处理,使物体间的相对运动速度不能大于光速(三十万公里每秒)

  还有一点关于时间可变的普适性问题,在本文中就不做说明了。您可以参见时间的测量

   我们建立时间的观念,是为了更为方便的确定事件的运动变化、确定事物的主体。时间在我们描述物质世界的体系中具有普适性的作用。我个人认为,仅为了改变描述体系的中的某种数理关系而改变时间概念本身的属性是不可取的。

                                                            2000.7.16