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时间有没有起点和终点?相对论知道答案

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发表于 2016-5-13 01:35:26 | 显示全部楼层 |阅读模式
每年我们都在时间旅行。

秋来,我们快出一小时;夏至,我们慢出一小时。每四年,二月多得一天,每三年左右又在一分钟后递增一秒。
时间出现,复又消失。但不论一分钟是何方神圣,等一分钟吧。时间不会凭空出现又凭空消失不是吗?时间借给宇宙哪怕一秒、一小时、亦或一天,到了最后期限宇宙也必须还回去不是吗?然而这一直以来,时间又去哪儿了呢?

时间难以定义。我们用年(即地球绕太阳一周所需时间)、月(农历月即月亮阴晴圆缺一周期)、日(即地球自转一圈)来加以衡量。时、分、秒、毫秒、纳秒等都是人为的时间框架,属人类自创。


作者:白拓森·汤姆森
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时间这一概念并不一定适用于宇宙。

时间与太阳总有着不解的情缘。古埃及人和巴比伦人用日晷将白天大致划分为12等份(小时),而古美索不达米亚人又以60进制编号系统规定一小时60分钟,一分钟60秒。法国人曾试图以10进制取代12进制来计时,然此法从未实现。希腊人对日晷做了改进,以渐变的刻度标记划分时段。

紧接着,科学革命到来,从1550年一直持续到1700年。据伽利略的首位传记作家文琴佐·维维亚尼记载,1583年年方20的伽利略在比萨大教堂祷告时倍感无聊,正在他神游天外时,一盏摇曳的长明灯吸引了他的眼球。好奇心作祟,他禁不住摆弄长明灯,探索它摆动一个来回所需时间,以脉搏为大大小小的摆幅计时。

伽利略“每次摆动时间相同”的这一重大发现前无古人,随后摆钟诞生了,成为当时最精确的一种计时法。那之后,其他钟表也被发明出来,譬如1759年的用于测定经度的精密计时器H4,再譬如1944年的瑞士表。手表成为时尚只是迟早的问题,人人都得看时间。

1928年,小镇上乍现一款不含任何活动部件的新型钟表:石英晶体时钟,一时冠压群钟、风头无两。随后的1955年,物理学家路易斯·伊森和杰克·帕里在国家物理实验室里发明了一款与众不同的钟表,即世界首款原子钟Caesium I。此钟现展出于伦敦科学博物馆,其性能远超现有的摆钟和石英钟。通过计算铯原子的振荡频率来计时,精准无比,每三百年仅有一秒的误差。
时间由此改变,一秒也不再定义为86,400分之1天(注:86400=24时x 60分钟x 60秒)。1967年的第13届重量测量大会将一秒规定为“133铯原子从基态在两个不同能级中发生9,192,631,770次能量跃迁。”


官方的原子秒比协调世界时稍快一点,因此正常来说,每三年就要加一闰秒以示区别。而在1972年首次增加闰秒之前,协调世界时就已经比原子时晚10秒了。
自此,科学家们一直在该基础上细细打磨,精准度超乎想象。对锶晶格原子钟的最新一次修正已精确到150亿年每秒,这比宇宙存在的时间还要长。
历史课到此为止,那时间究竟是何方神圣?要理解时间这一概念,你得先做件小事,把时间运行的所有直觉经验都抛诸脑后。
快速翻阅一本书,你会发现书的页数有限,有头有身有尾。人类都有叙事的偏好,喜透过故事感知世界。


一切故事皆有头、有身、有尾。人的大脑会借助叙事将铺天盖地的信息进行压缩处理,把事实故事化。当然,我们自己则摇身一变,成为叙事中人格复杂的主人公,有惧怕、也有希冀,还有些许疯狂。
我们表皮之外的一切都是一种支撑,是一种能完美契合到故事中的双重人格。(或许是手持苹果笔记本、着装时髦的家伙,或许是地铁上那个对手机爱不释手的女孩,又或许是帮我拎购物袋的好心人,等等。)


做这些事情并非刻意。叙事如斯重要,事关生存。它是你变为一副臭皮囊前,最不想放弃的一件事。少了叙事,就缺乏意识;而少了意识,耳边回响的就无非是一些白色噪音罢了。
若你有首尾皆不存在的这种想法,认为首尾都只是人为虚构用来窥探我们周围虚实的,那你的大脑就会陷入一片混乱,心理学中称之为认知失调。治愈良方即忽略旧思想,接受新思潮。
故这正是将老思想准时抛诸脑外的好时候。


时间、空间密不可分,要了解时间,必了解时空。缘何?皆因真空中的光速不受观察者(粒子也算观察者)的行为支配。这就是埃尔伯特·爱因斯坦1905年展示的狭义相对论。
要理解狭义相对论,你必先使自己熟悉速度等式:速度(s)=位移(d)÷时间(t)。

所有观测物的光速都相同,也即人们熟知的常量“c”(此c即公式E=mc2中的c,其中E为能量,M为物体质量)。因此对任何观察者而言,不论运动速度如何,光速都是一个常量。正因为光速恒定,速度等式中一些变量就要妥协,那就是时间。实验证明当速度愈来愈快接近光速时,时间就会慢下来。物体的10分钟相当于观察者的20分钟,所以快速移动的物体的将来也相当于缓慢移动的观测者的过去,反之亦然。

这种相对效应称之为时间膨胀。物体运动越快,时间过得越慢,这就解释了为什么会跑的时钟比台式钟走的慢。观察员A在低速列车A上用手表计时,而观察员B以高速经过时,复制了观察员A手表上的确切时间。然而,在观察员A看来,观察员B的手表走得比自己的慢。这就是爱因斯坦说“时间即幻觉”的原因。

另外,固定时间间隔内高速运动的物体比低速运动的物体位移大,因此再返回到速度等式:


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狭义相对论也适用于同时性概念。如果观察员A断定两件事同时发生,相对A运动的观察员B或许就不以为然了。由于光速的恒定性,事件发生的顺序也会出现差异。这条优酷视频将对此概念给出直观解释。

从《韦伯辞典》的定义来看,时空是“由时间和三维空间坐标组成的系统,可定位一切自然物体和事件。”因此若时空不再恒定,那什么是呢?答案是:时空间隔。所谓时空间隔,即两个独立事件间的时空差异,见等式:

时空间隔的平方=两事件间距的平方-光速的平方X 两事件相隔时间的平方


由于等式涉及减法,时空间隔可正可负可为零。当时间间隔为正时,两事件可看为由“类空间隔”独立开来。在类空间隔里,从两事件中获取不到任何信息,观察者们对两事件发生的先后顺序异议不断。在优酷视频中,曼彻斯特大学的物理学家布莱恩·科克斯教授给出例子:“太阳距离我们8光分(光在1分钟内走的路程)远——也就是说,光从太阳到达地球需要8分钟。假如太阳发生爆炸,8分钟后我才能注意到。因此假设太阳爆炸了,在我看来,4分钟已过去。我对此仍一无所知,故太阳对地球构不成任何威胁——在这8分钟内,两者是完全隔绝的。”
在类空间隔中,事件发生的先后顺序可发生变化。X以接近光速的速度经过太阳系时,可看到Y正谈论8分钟前太阳爆炸一事,而Z看到的却是Y在太阳爆炸的8分钟前说及此事。


当时空间隔为负或为零时,两事件可看作是由“类时间隔”和“类光间隔”独立开来。在两种情况下,从两事件中都可感知信号,获取信息,且所有人对事件发生的先后顺序意见一致。在优酷视频中,科克斯教授也给出例子:“假如我冲你扔球,将你撞到墙上,则此举是球造成的。爱因斯坦的理论中,你绝不可能改变身边事件的顺序……顺序不会是你先撞倒墙上,然后我在冲你扔球。”

因此我们虽对过去、现在、将来、时间或距离存在分歧,但对因果关系看法一致。这看似奇怪,因为我们总以时间衡量因果,而事实却恰恰相反。对现世一切的认同都在于因果。你可以说因果关系是唯一“真实”的存在,那么它和时空又有什么关系呢?答案即:一切皆相关。
就在爱因斯坦的理论提出后不久,他的前任数学教授赫曼·闵可夫斯基注意到时空间隔类与“距离”公式的一个怪异变式——“非欧几何”类似。闵可夫斯基紧接着提出一大史诗性观点:或许现实也就是我们所生活的这片宇宙,并非涉及时间的三维空间,也可能是一个四维的“非欧”即存空间。举个例子来说,若时空一直存在又当如何?没有进化,没有时间,就只是存在。
下面的四维空间可以是时空,所有事件都与各个点相连:

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借助一个应用量子修正项目以补充爱因斯坦广义相对论的新模型,2014年《物理快报B版》上发表了一篇论文赞同闵可夫斯基的提议,称宇宙无始亦无终,以“整块宇宙”的形式存在。该模型还有助于解决暗物质和暗能量的难题。

当前,有些宇宙学家不认为“宇宙大爆炸”是由物质挤压引起的物质反弹(“大反弹”),他们相信宇宙有能级,并经历着从挤压到反弹的周期循环。
“【大反弹】一说事实上疑点重重,因为我们知道宇宙不会再重新崩塌一次。相反因暗能量之故,宇宙还会不断延伸。其中,70%由类型未知的力和能量构成。它们对宇宙的最大影响在于能够随时间加速宇宙扩张,因此宇宙不仅会随时光流逝扩大地盘,扩张速度还会呈加速上升,”伦敦皇家学院的天体物理学家罗伯特·特罗塔在设于剑桥大学的科学广播脱口秀《赤裸科学家》中如是说。

“宇宙大收缩论会为宇宙画上句点,而此句点将呈现一片黑暗,一切物质都将被吸进黑洞。。。但那时2000亿年后的事情了,我们现在没什么好担心的,”他又继续道。
我们对时间和空间的理解还是那么武断,那么虚无。就像上学时用过的直角坐标散点图一样,它对我们讨论坐标图上的信息很有用,但自身却没多大意义,仅仅是放在那儿而已。不论它存在与否,散布在网格图上的信息都是客观存在的。

你是真实存在的吗?算是吧。假如你作为过去的现在的顺序,那么你就是一个四维空间里的非欧几何对象。也就是说,你是你自己的时空间隔,是一条经历出生到死亡的(人生段)线段。你在线段上移动了吗?非也,你即线段。时空无移动一说,是没有时态的。人为规定的过去/将来/现在时态终是虚无,还记得那个XY坐标的类比吧。因此你的人生业已存在,而并非先定。
下面类比可帮助理解时空概念:想象我们都在读《指环王》。我们都认同故事中发生的事件,却在事件发生的页码、描写该事件的页数以及一些事件发生的先后顺序上存在分歧,然而我们都在看同一本书啊。但是没有页码……没有页数……也没有书。所有这些都是我们理解事物所产生的一种臆想。

纽约大学的研究科学家加布里尔·裴瑞兹-吉斯在一优酷视频中对这种臆想给出了直观解释。
若我们将爱因斯坦1915年发表的广义相对论杂糅,想必空间和时间会更为复杂。会出现不同维度的多元时空,宇宙也改名为“多元宇宙”,这将使得锁定我们生存的这片宇宙陷入困境。
“【一些研究者】假设平行宇宙存在,我们的这片宇宙由【四维宇宙】构成,但如果还存在另外维度又该当如何?我们事实上连自身都无法看透,”《赤裸科学家》脱口秀上,特罗塔说道。
综上所述,我们为何要将时空看做,好吧,空间和时间?至少到现在,答案还无人知晓。

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