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时间是什么?

子在川上曰:“逝者如斯夫!不舍昼夜。”两千五百年前,孔子以奔腾的河水比喻时间的流逝,劝谕学生珍惜光阴,进学不已。

古人常常将河水比喻时间,因为河水不会倒流,时间也一样。尺之碧玉,难换半寸光阴,足显时间之宝贵。但古人始终没有解释时间的本质,它究竟是什么?

时间如流水,逝者如斯!

时间是过程

时间是宇宙万物变化的过程,它既独立于万物存在,又是世界不可分割的一维:三维的物质,加一维的时间。

宇宙是世界万物及时空的总称,它由无数星系、星球、星际间物质与场、以及容纳这些物质的空间所组成。同时这些宏观的物质又都是由原子以及更加微小的微观粒子所构成。

我们仰望星空,可以看到宇宙中极小的一部分,它是不断运动和变化着的。与此同时,那些我们看不见的微观粒子和场也在不断地运动和变化,所有这些变化的过程就是时间。

宇宙中有不运动且不变化的物质吗?到目前为止还没有。

宇宙永恒,并且在不断变化,这个过程就是时间

从宏观角度看,地球上一切的物体,包括空气和水都在不停地运动,动植物在生长,建筑和石头在风化,承载着这一切的地球在自转并围绕着太阳运动。太阳与其它恒星一样在不停燃烧并释放能量;太阳系在银河系中飞速运行;银河系在更大的空间里运动,数十亿年后它将与仙女座星系相撞;数十亿光年外的星系正在飞速远离。它们的相对位置在发生变化。

正在逼近的仙女座

而在微观世界,组成原子的电子绕原子核飞行;原子会振动、衰变并向外辐射能量;光子、中微子和各种波充斥着空间并以极快的速度穿过;物质间不停地进行着能量的释放、吸收和交换。

度量这一切变化过程的标量就是时间。时间与宇宙共存,宇宙在,时间就在。

时间不会停止

经常有一种说法,称只要达到光速,时间就停止了,而超过光速就意味着时光倒流可以回到过去。这是对相对论的一种错误解读。

光子通过波来携带它诞生时的信息,当没有外界信息干扰时,光子所携带的信息不会发生变化。当10亿光年外的一颗超新星爆发,它会向外释放强烈的光,光子向所有方向辐射开来,它们携带着超新星爆发时的信息,在光子向远方辐射的过程中,信息会保持。如果我们跟随它一起运动,会感觉时间像停止了一样,因为信息始终没有变化。

时间的本质

光波的模拟图

而如果我们跳出这束光,换一个位置观察它,光就有了时间,它的位置在不断地发生变化。如果中途遇到大质量恒星或黑洞的吸引,光线会发生弯曲,经过10亿年的长途跋涉它才到达地球。我们在地球看见光,得知那儿有一颗超新星爆炸的信息。

对于光所传递的信息来说,时间似乎是停止的,而对于外部观察者来说,时间并没有停止。

有人说,如果物质达到了绝对零度,原子里的一切运动停止,时间就停止了。

科学家们认为,零下273.15摄氏度(-273.15℃)的“绝对零度”是热力学的绝对温度,它只是理论的下限值。事实上人们只能将物质的温度无限逼近绝对零度而不能达到它,科学家通过激光冷却和磁阱技术制冷法得到170*10^(-9)开尔文的极低温度。于此同时,科学研究也证明真正的绝对零度并不存在,在宇宙中能探测到的最低温度区域是1开尔文,也就是-272.15℃。

即使是在绝对零度,粒子的能量也并不为零,而是具有一个很小的数值。这意味着运动依然存在,时间作为衡量物质运动的标量也依然是存在的。

时间的相对性与绝对统一

1905年,爱因斯坦通过他的狭义相对论挑战了绝对时间的概念,他认为时间是相对的,不同运动速度的物体自身拥有不同的时间标量。通俗地说,如果张三坐在飞船上以1/2光速飞行,张三自己看手表感觉很正常,没觉得它走得快了或慢了;但在地球上观察张三的李四却发现张三的手表比地球上慢了许多。

时间的本质

对于蓝色时钟的本地惯性参照系,运动中的红色时钟被认为是更慢的

于是就有人设想,如果我们能达到光速,是不是时间就停止了,我们会长生不老呢?

这是个很有意思的问题,遗憾的是相对论也同时预言了具有质量的物体不可能达到光速。在轨道运行的通讯卫星和定位卫星星座确实存在星上原子钟的时间与地面不同步的情况,它们存在极小的延迟,科学家们需要经常对它们进行校准。

问题是,当处于两个不同速度参考系中的时间发生不一致时,我们以哪一个的时间为准?是看飞船上的时间还是看地面的时间?博尔特100米冲刺时,我们会以他手表的时间来判定成绩吗?当然不会,我们会以裁判员的计时为标准。

博尔特更快,但裁判不会以他的手表来计时

当任何一个孤立事件发生时,我们会从宇宙整体的角度来度量它的时间。

时间没有开始也不会结束

宇宙大爆炸论者认为,当“大爆炸”发生前,整个宇宙空间都只是一个极小且炙热的“奇点”,在这个奇点之内谈论时间是没有意义的。于是有人将大爆炸发生的一刻定义为时间的开始,他们认为在大爆炸发生前是没有时间的。

时间真的有一个开始吗?人都有一个出生的时间,植物多是从种子开始发芽,太阳和地球都有形成的时间,我们的银河系甚至宇宙会不会也有一个开始的时间?会不会在宇宙产生之前时间也不存在?

宇宙大爆炸发生前真的没有时间?这或许是你的误解

对于这个问题,亚里士多德是这样认为的:如果时间有开始,那么它必须有一个“第一时刻”来进行开始的计数,而这个“第一时刻”需要在较早的时间段与较晚的时间段进行,既然有比“第一时刻”更早的时间段,那么“第一时刻”便不再是第一时刻了,肯定有比它更早的时间。同样的论证也可以用来证明时间不会有结束。

客观时间与主观时间

有朋友说了,你讲的不对吧,时间的概念是人创造的,没有人,哪里来的年月日时分秒?没有人就没有时间呀!

这里我们就要谈一谈客观时间与主观时间。

打个比方:如果你是个小伙子,怀里抱着一个美丽的姑娘,你只有十分钟时间,随后她将离你而去,你会觉得时间过得飞快;同样地,姑娘偎依在她心爱的男人怀里,她也会觉得这十分钟眨眼就过去了。但是,如果叫你在一个烧着火的、滚烫的炉子上坐十分钟,你会感觉时钟走得很慢很慢,时间过得比一年都长!

良宵苦短,就是主观时间

时间没有变,我们的感觉欺骗了我们,它使我们觉得时间快了或者慢了。

人类为了度量时间而发明时钟,创造了时间的概念,规定了计量时间的方法,但时间并不是人类的发明,它是与宇宙共存的。

在人类出现在地球上之前,地球已经存在了45亿年;而在地球与太阳诞生之前,银河系也存在了很长很长的时间;银河系只是宇宙中极小的一粟,它也是由宇宙的尘埃聚合而来。时间可以不断地向前推。同样地,即使未来某一天人类灭绝了,地球还在;地球、太阳和银河系没了,宇宙还在,时间不以人类的意志而改变

宇宙浩瀚

总结:

一、时间的本质是宇宙万物位置变化及其自身变化的进程,人类定义时间,用各种时钟运动的刻度来计量它,但无法改变它。

二、时间没有开始,没有结束,不会停止,更不会倒流。人类渴望回到过去,看看大唐盛世是什么样子,但时间永远向前,你不可能回到过去。

三、时间有相对性,不同运动速度的物体可能有自己的时间标量,但从整个宇宙的角度看,时间是绝对的,不存在东边的时间快一些西边的时间慢一些。

四、时钟可以停摆,但时间是永恒的

时钟可以停摆,但时间永恒

感谢你读完本文,它是一篇科普文章,不是科幻文章。所以我们不讨论时光机器、时间旅行、虫洞或平行宇宙等话题。

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