時(shí)間是什么？這是一個(gè)古老的話(huà)題，伴隨著(zhù)人類(lèi)的整個(gè)科學(xué)發(fā)展史。并且隨著(zhù)我們人類(lèi)對自然界認識的深入，這個(gè)問(wèn)題在不同的時(shí)期也有著(zhù)不同的答案?？v觀(guān)整個(gè)物理學(xué)史，時(shí)鐘的發(fā)明和演化也在很大程度上塑造了人們對于時(shí)間的認識。

     本文將漫談在物理發(fā)展史上的不同時(shí)期，人們對時(shí)鐘和時(shí)間的理解。并且指出當今主流物理學(xué)界對時(shí)鐘和時(shí)間理解中的一點(diǎn)偏差，在此基礎上給予一些個(gè)人的見(jiàn)解。

1. 古人的時(shí)鐘與時(shí)間

     地球繞太陽(yáng)轉動(dòng)以及地球穩定自轉這兩種物理現象給古人提供了兩個(gè)天然的時(shí)鐘，于是年和日作為兩個(gè)最早的時(shí)間單位便出現在人類(lèi)的認知中。

春去秋來(lái)寒來(lái)暑往，祖先們世代重復著(zhù)日出而作日落而息的規律生活。于是在生命的自然演化中，我們人類(lèi)也進(jìn)化出了用于適應這兩個(gè)天然時(shí)鐘的生物鐘。

隨著(zhù)越來(lái)越深入認識大自然，古人開(kāi)始利用身邊的物理現象制作新的時(shí)鐘。宋代大文豪蘇軾有云：“缺月掛疏桐，漏斷人初靜”，這里的“漏”指的就是漏刻（water clock）。漏刻是有史料記載的最早出現的人造計時(shí)工具，在古中國、古雅典以及古印度均有使用。漏刻種類(lèi)多種多樣，其中最簡(jiǎn)單的漏刻便是在漏壺中插入一根刻有時(shí)刻的標桿，水位隨著(zhù)水從漏壺底部的小孔中流出而下降，其中水位下降前后所指示的標桿刻度差便是時(shí)間差。

1.1 古雅典時(shí)期的漏刻（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò )）

1.2 中國古代漏刻（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò )）

2. 牛頓的時(shí)鐘與時(shí)間

     隨著(zhù)人類(lèi)對物理現象更加深入的理解，各種各樣的計時(shí)工具也隨之產(chǎn)生。其中以單擺鐘和彈簧振子鐘最為應用廣泛。無(wú)論是何種時(shí)鐘，本質(zhì)上它的工作原理都是在對重復性物理現象進(jìn)行計數，而相鄰兩次物理現象的時(shí)間間隔被人為的賦予一個(gè)數值，這個(gè)數值被稱(chēng)作是此時(shí)鐘的周期，于是時(shí)鐘顯示的時(shí)間就是周期乘以物理現象出現的次數。

     不同的時(shí)鐘在對不同的物理現象進(jìn)行計數，單擺鐘對擺針擺動(dòng)的次數進(jìn)行計數而彈簧振子鐘對振子震蕩的次數進(jìn)行計數。不同物理現象的背后卻有著(zhù)不同的物理公式與不同的影響因素。

     打個(gè)比方，重力加速度是影響單擺鐘快慢的因素而彈簧彈性系數是影響彈簧振子鐘快慢的因素?，F在有一對相同的單擺鐘和一對相同的彈簧振子鐘，其中一個(gè)單擺鐘和彈簧振子鐘放在地球表面而另一個(gè)單擺鐘和彈簧振子鐘放在月球表面，那么地球上的單擺鐘快于月球上的單擺鐘而兩個(gè)彈簧振子鐘之間卻沒(méi)有明顯的快慢區別。那么地球上的時(shí)間快于月球上的時(shí)間嗎？我們知道當然不是，地球上的單擺鐘所測時(shí)間更快只是由于地球上的引力大，使得單擺擺動(dòng)加快了。并且這個(gè)時(shí)期的人普遍認為時(shí)間是均勻地流逝，不會(huì )受到任何參考系及外部環(huán)境的變化所干擾，因此時(shí)鐘的快慢并沒(méi)有和時(shí)間的快慢之間產(chǎn)生聯(lián)系。

2.1 （單擺）

2.2 （彈簧振子）

2.3 （四種時(shí)鐘分別對四種不同的物理現象進(jìn)行計數）

3. 愛(ài)因斯坦的時(shí)鐘和時(shí)間

     1905年，愛(ài)因斯坦提出了狹義相對論，闡述了運動(dòng)中的時(shí)間變慢效應。1915年，愛(ài)因斯坦又提出廣義相對論，闡述了引力使時(shí)間變慢的效應。也就是說(shuō)，時(shí)間的流速并非一成不變的，而是會(huì )受到其他因素的影響，比如參照系之間的相對運動(dòng)速度以及物體之間的引力相互作用。換句話(huà)說(shuō)，在快速行駛的地鐵中的時(shí)間比地面上的時(shí)間慢，同時(shí)，在地球上時(shí)間的流逝比在月球上慢。因此在相對論的時(shí)空觀(guān)里，時(shí)間流逝的快慢是由所在參考系的速度和引力大小所決定的，一旦已知兩個(gè)參考系的相對速度與引力大小，則它們的時(shí)間差異便可由相對論計算而得。

     原子鐘通過(guò)記錄原子輻射出的光子的震蕩次數進(jìn)行計時(shí)。1971年，一個(gè)原子鐘被放在地球表面而另一個(gè)相同的原子鐘則放在太空飛船上隨著(zhù)飛船遨游了一段時(shí)間。當飛船回到地面后發(fā)現，兩個(gè)原子鐘所顯示的時(shí)間不一樣。于是人們普遍接受相對論所預測的運動(dòng)和引力影響時(shí)間快慢的結論。相較于牛頓時(shí)期，這時(shí)期的人們對于時(shí)鐘的態(tài)度也開(kāi)始發(fā)生改變。

3.1（1971年的原子鐘遨游太空實(shí)驗）

4. 愛(ài)因斯坦遺留下來(lái)的問(wèn)題

     在牛頓時(shí)期，時(shí)鐘普遍被認為只是一種重復物理現象的儀器，時(shí)鐘變快或者變慢僅表明這種儀器所重復的物理現象在變快或者變慢而已。因此，那時(shí)候的人們熱衷于研究時(shí)鐘本身的工作原理，從而論證它變快或者變慢是受到某種因素的影響（譬如單擺鐘是受到重力加速度的影響）。然而，現代的人卻普遍認為時(shí)鐘的快慢是時(shí)間的快慢導致的，而不再認為是某種相互作用的因素使得此時(shí)鐘所測的物理過(guò)程變快或者變慢，也不再深入研究不同時(shí)鐘背后的工作原理。一言以蔽之，把所有原因歸結于時(shí)間的快慢似乎避免了很多麻煩。然而這種認知的背后卻會(huì )引發(fā)新的問(wèn)題。

問(wèn)題1：?jiǎn)螖[鐘

     假設有兩個(gè)相同的單擺鐘，分別位于地球和月球上。兩星球均屬于弱引力場(chǎng)，因此單擺擺動(dòng)頻率正比于重力加速度的平方根。而時(shí)鐘頻率正比于時(shí)鐘所測時(shí)間，因此地球上的單擺鐘所測時(shí)間快于月球的單擺鐘。然而由廣義相對論可知，和月球相比，地球上的時(shí)間更慢（僅考慮兩個(gè)星球的引力而忽略其運動(dòng)速度的情況下），這與單擺鐘所測的結果相矛盾。因此，在這種情況下，使用單擺鐘和原子鐘所測量的時(shí)差不一致，而原子鐘所測的時(shí)間差符合廣義相對論預測。兩種時(shí)鐘所測時(shí)間快慢效應不一致的原因是：這兩種時(shí)鐘所計數的兩種物理現象分別受到兩種不同因素的影響，詳細證明過(guò)程請參考原文鏈接。

問(wèn)題2：雙時(shí)鐘版的“雙生子悖論”

     愛(ài)麗絲和鮑勃是一對龍鳳胎，愛(ài)麗絲攜帶一個(gè)單擺鐘和一個(gè)原子鐘在一個(gè)強引力的星球表面上而鮑勃攜帶另一個(gè)單擺鐘和原子鐘在宇宙飛船上。由于星球表面的引力強度大于飛船所受引力強度，因而愛(ài)麗絲的單擺鐘快于鮑勃的單擺鐘而她的原子鐘卻慢于鮑勃的原子鐘。那么問(wèn)題來(lái)了：愛(ài)麗絲和鮑勃，誰(shuí)衰老的更快？

     人體的衰老過(guò)程是各種微觀(guān)和宏觀(guān)物理現象混合一起后的綜合反映。從宏觀(guān)上來(lái)講，涉及血液的流動(dòng)，心臟的跳動(dòng)等各種生理過(guò)程。微觀(guān)上來(lái)講，涉及細胞內的分子受重力影響的運動(dòng)，以及原子之間的電磁相互作用和原子輻射等物理過(guò)程。這些物理過(guò)程不像原子輻射或者單擺擺動(dòng)那么簡(jiǎn)單，所以無(wú)論是原子鐘或者單擺鐘都不可能準確模擬出這種復雜的衰老過(guò)程。也就是說(shuō)，在強引力作用下機體老化過(guò)程是變快還是變慢尚未明確。因此，不挖掘機體衰老背后的物理機制就盲目斷言人體衰老符合相對論的預測，這種做法是不可取的。

4.1 （雙時(shí)鐘版的“雙生子悖論”）

5. 解決問(wèn)題并在相對論的基礎上再往前邁進(jìn)

     從牛頓到愛(ài)因斯坦，時(shí)間作為一種絕對存在的觀(guān)念被打破了。那么為了解決愛(ài)因斯坦遺留下來(lái)的問(wèn)題，我們是否仍有一些需要被打破的觀(guān)念呢？

打破對時(shí)鐘的傳統理解

     無(wú)論是原子鐘、單擺鐘、彈簧振子鐘或是其它各種各樣的計時(shí)工具，它們都只是用來(lái)記錄周期性現象所出現次數的一種儀器，每一種儀器的運轉均有其自身的原理。再者，時(shí)間變慢并不是時(shí)鐘變慢的原因。無(wú)論哪種儀器，它變快或者變慢都有來(lái)自其他物理相互作用的原因，而不能歸結于時(shí)間變快、或者變慢這種空洞的理念。就像單擺鐘在強引力場(chǎng)中變快只是因為強引力讓單擺擺動(dòng)速度加快了，而不是時(shí)間變快了。對于原子鐘也一樣，它的變慢只是由于強引力場(chǎng)對原子的作用使得原子輻射這個(gè)物理過(guò)程變慢了【證明過(guò)程見(jiàn)參考文獻1】，也并非時(shí)間變慢了。畢竟時(shí)間并不是一種能夠影響機械裝置或者其他物理現象運轉的作用力，因此它本身并不能讓任何物理過(guò)程變快或者變慢。

打破對時(shí)間的傳統理解

     無(wú)論是牛頓時(shí)期，還是愛(ài)因斯坦時(shí)期，時(shí)間都被當作真實(shí)的物理存在。然而事實(shí)上，我們從沒(méi)有測量過(guò)作為獨立于物理現象而存在的時(shí)間。實(shí)驗物理學(xué)家們只能測量某個(gè)物理現象，時(shí)鐘本質(zhì)上也是一種對某個(gè)重復出現的物理現象進(jìn)行計數的儀器。即便是開(kāi)展引力波測量實(shí)驗，物理學(xué)家們也僅能測出光子由于遙遠黑洞的影響而發(fā)生變化的運動(dòng)軌跡，而時(shí)空的漣漪（即引力波）只是提供了一種數學(xué)模型來(lái)解釋這種現象而已。因此，若某個(gè)概念僅存在于數學(xué)中而無(wú)法真正地出現在物理實(shí)驗儀器前，那么我們?yōu)楹芜€要執著(zhù)于把它當作某種真實(shí)的物理存在呢？

     原子鐘在強引力場(chǎng)中會(huì )變慢，那么僅憑這一點(diǎn)就能斷定在強引力場(chǎng)中的時(shí)間會(huì )變慢嗎，或者說(shuō)，其他所有的物理過(guò)程在強引力場(chǎng)中都會(huì )變慢嗎？目前已知是不能的，但是為何當代主流學(xué)界卻普遍地認為時(shí)間真的變慢呢？究其原因，大概率是因為大多數人將時(shí)間當作真實(shí)存在并具有唯一性的物理量，所以只要有一個(gè)時(shí)鐘測出它變慢了，就可以斷定時(shí)間真的變慢了，繼而所有的物理過(guò)程也隨之變慢。因此，我們有必要打破時(shí)間是真實(shí)物理存在的觀(guān)念。如果我們將時(shí)間僅僅視作描述物理過(guò)程的數學(xué)參數，也就不難理解在強引力場(chǎng)中有些時(shí)鐘會(huì )變慢而有些時(shí)鐘卻會(huì )變快了?；蛘哒f(shuō)，在強引力場(chǎng)中描述原子輻射的時(shí)間變慢了，而描述單擺擺動(dòng)的時(shí)間卻變快了。因此談?wù)摃r(shí)間變快、或者變慢的前提條件就是：要指出這個(gè)時(shí)間是對應于哪一個(gè)物理過(guò)程。

     因此，時(shí)間是一個(gè)描述物理變化的數學(xué)參量，它不會(huì )脫離物理過(guò)程而單獨地存在。也就是說(shuō)，如果不指定某一個(gè)物理過(guò)程而單獨地談?wù)摃r(shí)間的變化將會(huì )是沒(méi)有意義的。

6. 結論

     相對論所預測的時(shí)間變慢，并不意味著(zhù)所有的物理變化過(guò)程都會(huì )變慢。由于其它時(shí)鐘的工作原理未必和原子鐘相一致，因此原子鐘變慢并不意味著(zhù)其它所有的時(shí)鐘也都變慢，比如說(shuō)單擺鐘在強引力場(chǎng)中反而會(huì )加快。并且，我們通過(guò)一個(gè)雙時(shí)鐘版的“雙生子悖論”的思想實(shí)驗指出，相對論所預測的時(shí)間延緩效應不會(huì )發(fā)生在對應于人體衰老這種復雜的生理過(guò)程中。

     為了解決上述問(wèn)題，我們可以在相對論基礎上再往前邁出一步：除了引力和參考系之間的速度這兩種影響時(shí)間快慢的因素之外，時(shí)間的流速還和具體的物理過(guò)程相關(guān)。不同的物理過(guò)程會(huì )得出不同的時(shí)間流速，因此即便在同一個(gè)參考系中，時(shí)間的流速也不是固定的。歸根結底，時(shí)間僅僅是描述物理過(guò)程的一個(gè)數學(xué)參數而已。

     或許有些讀者會(huì )認為單擺鐘在強引力場(chǎng)中變慢是由于相互作用引起的，與時(shí)間本身的流逝無(wú)關(guān)。若如此，那我們怎么區分哪些物理過(guò)程的快慢和時(shí)間本身的流逝有關(guān)而哪些又與時(shí)間無(wú)關(guān)呢？為何原子鐘的快慢和時(shí)間流逝的快慢相關(guān)呢？我們又如何證明人體衰老的物理過(guò)程是和時(shí)間的流逝有關(guān)呢？事實(shí)上，時(shí)鐘本質(zhì)上只是一種數物理現象出現次數的儀器，所有的時(shí)鐘快慢以及所有的物理現象的快慢均不可歸結于時(shí)間流逝的快慢，它們變快或變慢都是由某些相互作用導致的。例如當一個(gè)人揮舞手臂時(shí)，若揮舞頻率變慢，這只是由于他的手臂力量減弱導致，而非時(shí)間變慢所致。再者，原子鐘在強引力場(chǎng)中變慢是由于強引力作用導致原子能級發(fā)生了變化，從而使得原子輻射過(guò)程變慢，而非時(shí)間變慢導致；單擺鐘在強引力場(chǎng)中變快是由于強引力使單擺的擺動(dòng)加快，亦非時(shí)間變快所致。

     最后聊點(diǎn)輕松的話(huà)題，或許有些讀者在一些科幻小說(shuō)甚至電影里看過(guò)主角穿越時(shí)間回到過(guò)去拯救世界的故事，那么為何現實(shí)中我們從沒(méi)有遇到過(guò)未來(lái)人呢？現在看完文章后應該知道是什么原因了吧。

     作者：李本良

     新加坡南洋理工大學(xué)博士，現任職西南交通大學(xué)物理系。