時(shí)間之迷

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地球是不能信賴的時(shí)鐘 

必須承認(rèn)，把地球作為測(cè)量時(shí)間的儀器是不可靠。20世紀(jì)初，天文學(xué)家就覺(jué)察到這個(gè)問(wèn)題，但出于天文觀測(cè)的需要，采用了“歷書(shū)時(shí)”的概念，于1960年起作為世界各國(guó)的基本時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)。歷書(shū)時(shí)從1900年1月0日12時(shí)開(kāi)始計(jì)算，定義一秒鐘為那一年太陽(yáng)由相對(duì)較遠(yuǎn)恒星回到起點(diǎn)的一個(gè)回歸年的1/31556925.97474。

其實(shí)，太陽(yáng)也是個(gè)有爭(zhēng)議的時(shí)鐘，因?yàn)楫?dāng)?shù)厍蚋咏咏?yáng)時(shí)，太陽(yáng)相對(duì)背景恒星的視在運(yùn)動(dòng)加快，這就是產(chǎn)生“"平均太陽(yáng)時(shí)”想法的原因，是通過(guò)虛擬的太陽(yáng)設(shè)定出來(lái)的。虛擬太陽(yáng)的視在運(yùn)動(dòng)是以勻速沿地球赤道線運(yùn)行的。這樣就決定稱它為“民用時(shí)”，即平均太陽(yáng)時(shí)一天的長(zhǎng)度。但這對(duì)天文學(xué)家來(lái)說(shuō)還不夠，他們使用的是“恒星日”，即地球相對(duì)于遙遠(yuǎn)恒星自轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間。所有這一切都是關(guān)于時(shí)間的測(cè)量。然而幾個(gè)世紀(jì)前科學(xué)家就開(kāi)始提問(wèn)，時(shí)間是否與宇宙的物質(zhì)有聯(lián)系，它本身是不是一個(gè)單獨(dú)的實(shí)體。這種想法刺激了艾薩克·牛頓，他問(wèn)道：“如果所有時(shí)鐘消失了，之后所有物質(zhì)也消失了，在空間什么也沒(méi)有留下，既無(wú)地球也無(wú)太陽(yáng)，連最小的粒子也沒(méi)有了，那時(shí)還有時(shí)間嗎？”而他的回答是：“‘絕對(duì)時(shí)’本身是真實(shí)的、數(shù)學(xué)的，就其性質(zhì)講它與外界事物無(wú)關(guān)地、均勻地流逝；‘相對(duì)時(shí)’是一個(gè)表面的、通俗的量度(精確或不精確)，一般用來(lái)代替絕對(duì)時(shí)間的量度，這就是時(shí)、日月、年?！痹诮?jīng)典力學(xué)中，需要絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間一起來(lái)確定物體的位置和速度。


時(shí)間沒(méi)有起點(diǎn)，但它一直存在 

時(shí)間沒(méi)有開(kāi)始也沒(méi)有終結(jié)嗎?在宇宙事件的流逝中從來(lái)就沒(méi)有一個(gè)起點(diǎn)？這些事件中的一部分已經(jīng)被證實(shí)，另一部分僅僅是理論物理學(xué)家的假設(shè)。這些事件也不會(huì)有終結(jié)嗎？

愛(ài)因斯坦在科學(xué)界發(fā)起的革命開(kāi)始與牛頓創(chuàng)立的曾為科學(xué)界廣泛使用的“絕對(duì)時(shí)間”和“絕對(duì)空間”的概念分道揚(yáng)鑣了，這場(chǎng)革命更確切地說(shuō)是對(duì)于宇宙命運(yùn)的一種新見(jiàn)解——如果宇宙繼續(xù)無(wú)限地膨脹下去(開(kāi)放的宇宙)，那么時(shí)間將永遠(yuǎn)不會(huì)終結(jié)；相反，如果宇宙在某個(gè)時(shí)候停止了膨脹，開(kāi)始發(fā)生逆轉(zhuǎn)，越來(lái)越收縮(封閉宇宙)，直至回到什么也沒(méi)有的狀態(tài)，那么時(shí)間也就不復(fù)存在了。

但時(shí)間是從什么時(shí)候開(kāi)始的呢?

根據(jù)最新的假設(shè)，在大爆炸前已經(jīng)存在許多小宇宙，它們從“無(wú)”這種物態(tài)開(kāi)始形成和消失，在這種物態(tài)中既無(wú)時(shí)間、空間，也無(wú)物質(zhì)。由于有了稱為波動(dòng)的量子現(xiàn)象才使這些宇宙得以形成。我們的宇宙也許不會(huì)消失，因?yàn)樗€剛剛誕生，由于擴(kuò)張得特別快和特別強(qiáng)勁，故取名為膨脹 (或日宇宙超級(jí)擴(kuò)張)，它或許是在無(wú)節(jié)制地長(zhǎng)大之后才發(fā)生了大爆炸。因此時(shí)間或許應(yīng)先于大爆炸，它的起點(diǎn)或許應(yīng)追溯到從無(wú)到膨脹的過(guò)渡期內(nèi)。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者伊利亞·普里戈金（Ilya Prigogine）還談到：“一個(gè)潛在時(shí)間，它總是處于休眠狀態(tài)，并不要求波動(dòng)現(xiàn)象喚醒它而變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。從這個(gè)意義上講，時(shí)間不與我們的宇宙同時(shí)產(chǎn)生，而是早就存在的?！?br>

光很美，因?yàn)樗蛔兓?nbsp;

在1907年，物理學(xué)家艾伯特·邁克耳孫(Albert Michelson，1852——1931)因?yàn)椤肮馑俚臏?zhǔn)確測(cè)定”而幸運(yùn)地成為第一個(gè)獲得諾貝爾獎(jiǎng)的美國(guó)人，隨后愛(ài)因斯坦在向他致賀時(shí)說(shuō)道：“通過(guò)您杰出的實(shí)驗(yàn)工作，您已經(jīng)為相對(duì)論理論的發(fā)展開(kāi)辟了道路……”

他究竟做了什么大事呢？從1887年起，他與他的同事愛(ài)德華·莫雷“簡(jiǎn)單地”證實(shí)了光速是永遠(yuǎn)不變的，即使由一個(gè)物體在運(yùn)動(dòng)中“發(fā)射”的光，其速度也是不變的。

當(dāng)時(shí)人們的意識(shí)還停留在絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)間的概念上，在此基礎(chǔ)上，當(dāng)追蹤某種速度的光線時(shí)，人們看到光線行進(jìn)得應(yīng)該慢一些。就像我們?cè)谏钪兴?jiàn)到的那樣，如果我們坐汽車旅行，時(shí)速100公里，并追蹤在同一方向以時(shí)速200公里行駛的火車，就會(huì)感到火車的時(shí)速好像僅為100公里。

在邁克耳孫和莫雷實(shí)驗(yàn)的推動(dòng)下，愛(ài)因斯坦開(kāi)始修正時(shí)間的概念，開(kāi)導(dǎo)致他于1905年提出狹義相對(duì)論的理論。一方面是光速的不變性，另一方面有距離的作用：事實(shí)上，這兩個(gè)同時(shí)發(fā)生的事件，對(duì)于兩個(gè)處在不同位置的觀察者來(lái)說(shuō)，感覺(jué)它們是在不同時(shí)間發(fā)生的。這就是為什么光傳遞的信息需用一定的時(shí)間才能到達(dá)目的地。為了弄清這一概念，我們同以設(shè)想兩個(gè)宇航員，一個(gè)在空間站，另一個(gè)在附近的行星上，他們仔細(xì)觀看由空間站中心點(diǎn)發(fā)出的光，不管這種光的方向是與空間站運(yùn)動(dòng)的方向一致，還是相反，空間站的宇航員可以同時(shí)看到光的前部和后部，而在行星上的宇航員則是先看到后部的光，然后才看到從發(fā)射點(diǎn)向前離去的前部的光。


時(shí)間過(guò)得越快，人老得越慢 

隨著狹義相對(duì)論中達(dá)到頂點(diǎn)的有關(guān)時(shí)間理論的革命，時(shí)間向我們表現(xiàn)出另一種驚人的面貌，即所謂“時(shí)間膨脹”，它違背普通常識(shí)，但去被不同的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。

時(shí)間的流逝根據(jù)觀察者是靜止還是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及運(yùn)動(dòng)的速度而定，用簡(jiǎn)單的話來(lái)說(shuō)，就是一個(gè)跑著的人的時(shí)間流逝得慢，他跑得越快，其時(shí)間放慢得越明顯。愛(ài)因斯坦本人也對(duì)這個(gè)論題提出著名的“雙生子佯謬”，我們把它概括如下：兩個(gè)孿生兄弟在宇宙飛船發(fā)射場(chǎng)相互離別，一個(gè)留在地球上，另一個(gè)上了以光速的80%的速度飛行的宇宙飛船。過(guò)了50年，留在地球上的兄弟去迎接航天兄弟的歸來(lái)，人們會(huì)發(fā)現(xiàn)航天兄弟的面孔更年輕，事實(shí)上他只過(guò)了30年。這種現(xiàn)象在日常生活中并不明顯，因?yàn)閷?duì)乘坐時(shí)速為1000公里的噴氣機(jī)的旅行者來(lái)說(shuō)，每秒只減慢萬(wàn)億分之一秒，因此他大約要旅行3萬(wàn)年才能積累下減慢的一秒。對(duì)乘坐時(shí)速1萬(wàn)公里的運(yùn)載工具一一航天飛機(jī)的宇航員來(lái)說(shuō)，這并不是長(zhǎng)壽航程，因?yàn)槊棵胫粶p慢百億分之一秒。不管怎樣，科技進(jìn)步使人們可以證實(shí)時(shí)間的減慢，人們用兩個(gè)超精密度相同的原子鐘進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一個(gè)放在陸地上，一個(gè)放在時(shí)速超過(guò)3000公里的軍用飛機(jī)或空間探測(cè)器上。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這樣的假設(shè)：旅行過(guò)的鐘比另一個(gè)鐘走得慢。

1916年，愛(ài)因斯坦擴(kuò)充了相對(duì)論原理，把地球引力置于其理論的中心。從而對(duì)時(shí)間得出了驚人的結(jié)論：引力場(chǎng)對(duì)自然鐘起減慢作用，類似我們前面所說(shuō)的由運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的減慢。這就是說(shuō)，不管在哪里，只要有強(qiáng)引力張力的存在，時(shí)間的消逝就會(huì)減慢：地球上的這種減慢相當(dāng)于每秒減慢十億分之一秒。


時(shí)間停住了 

使時(shí)間流逝減慢的引力現(xiàn)象在黑洞面前產(chǎn)生了極端的結(jié)論。黑洞這種所謂的“空中強(qiáng)盜”其實(shí)不過(guò)是比太陽(yáng)至少大3倍的大質(zhì)量的恒星演化的最后階段，由于發(fā)生引力坍縮而縮小到極小的程度，形成理論上稱為“奇點(diǎn)”的孤立點(diǎn)。

如果說(shuō)時(shí)間的減慢取決于光速的減慢，而光速的減慢又與引力引起的物體墜落速度有關(guān)的話，那么我們就導(dǎo)出了一個(gè)極端的結(jié)論：當(dāng)一個(gè)物體墜落速度與光速抵消時(shí)，時(shí)間就會(huì)無(wú)限地放慢；當(dāng)一個(gè)物體越接近吸引和吞沒(méi)它的質(zhì)量很大的黑洞時(shí)，射向外部的光的速度就越慢，光到達(dá)遠(yuǎn)處觀察點(diǎn)所用的時(shí)間也就越長(zhǎng)。

如果我們能夠觀察一個(gè)人被黑洞吞沒(méi)的過(guò)程的話，我們就會(huì)看到，他在接近黑洞表面時(shí)速度十分緩慢，就好像停留在那里猶豫不決，永遠(yuǎn)也到不了目的地。但從這個(gè)可憐的、兇多吉少的人的視點(diǎn)來(lái)看，墜落只是一瞬間的事。

在黑洞附近，時(shí)間過(guò)得特別慢，而在坍縮恒星的表面一一 “視界”上，時(shí)間就停住了。黑洞的內(nèi)部呢？引力仍然極強(qiáng)，強(qiáng)到能阻止光的逃逸，對(duì)其他物體更不必說(shuō)了，因?yàn)椴淮嬖诒裙馑倏斓奈矬w。所有掉進(jìn)去的東西被留住并在一個(gè)狹小的空間內(nèi)消失，這個(gè)空間被命名為：“奇點(diǎn)”。在奇點(diǎn)里，物質(zhì)可能消失或變成認(rèn)不出來(lái)的樣子，在那里也不存在空間和時(shí)間。特別對(duì)在黑洞外部觀察的人來(lái)說(shuō)，內(nèi)部時(shí)間顯確顯示出同外部時(shí)間是分開(kāi)的，這種區(qū)分發(fā)生在視界時(shí)間停住的時(shí)刻。

但是，在深入揭開(kāi)奇點(diǎn)深?yuàn)W的謎團(tuán)之前，發(fā)生了科學(xué)家們稱為“時(shí)空倒置”的謎。讓我們來(lái)看一下。

在黑洞外面，空間可向任何方向擴(kuò)張，相反，時(shí)間只能走向未來(lái)。而在黑洞內(nèi)部，空間只能走向中央奇點(diǎn)。


明天、今天、昨天 

時(shí)間向哪個(gè)方向走？這個(gè)提問(wèn)把問(wèn)題搞復(fù)雜了。例如我們問(wèn)，為什么時(shí)間總好像從過(guò)去向未來(lái)流逝。人們不知道這種進(jìn)程是物理現(xiàn)實(shí)的客觀情況還是一種頭腦中的構(gòu)思。這是一些2000多年前就提出過(guò)的問(wèn)題，但在上世紀(jì)對(duì)不可逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象(即不可能發(fā)生相反的現(xiàn)象)的研究，才科學(xué)地說(shuō)明了這些問(wèn)題。

熱能就是一個(gè)例子，溫度高的物體上的能量自然地傳遞到溫度低的物體上，但不能倒過(guò)來(lái)。如果我們?cè)谘b烈酒的杯子里放些冰塊，較熱的烈酒把它的熱能傳遞給冰塊，冰塊融化直到杯子里的東西達(dá)到相同的溫度。相反，冰塊不可能把熱能傳遞給烈酒，使冰塊更冷而烈酒更熱。

由于熱是能量，在這類現(xiàn)象中能量是遞降的，利用價(jià)值會(huì)變得越來(lái)越小。例如，當(dāng)我們剎車時(shí)車的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱(制動(dòng)器變熱)，但不能發(fā)生相反的情況：即使加熱制動(dòng)器，也不可能風(fēng)到汽車會(huì)自行開(kāi)起來(lái)。這些定律證實(shí)某些自然現(xiàn)象的不可逆轉(zhuǎn)性，并用一個(gè)叫“時(shí)間之箭”的示意詞指明時(shí)間的精確方向。而另一些物理現(xiàn)象是可以逆轉(zhuǎn)的，例如液體可以變成固體，如果改變溫度又可以回到液體。如何解釋既存在著可逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象(其中時(shí)間似乎可前進(jìn)和后退)又存在著不可逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象 (其中時(shí)間只能從過(guò)去走向未來(lái))的這種共處局面呢？奧地利物理學(xué)家路德維格·波爾茲曼（Ludwig Boltzmann，1844——1906）假設(shè)，在無(wú)限小世界中發(fā)生的過(guò)程 （這些過(guò)程與單個(gè)分子運(yùn)動(dòng)有關(guān)）全部可以逆轉(zhuǎn)；相反，含有大量分子的宏觀世界的過(guò)程都是不可逆轉(zhuǎn)的。那么，為什么只有后者的這些過(guò)程存在時(shí)間之箭呢？據(jù)大多數(shù)科學(xué)的看法，決定性的原因是宇宙的膨脹，這一點(diǎn)我們?cè)谇懊嬉呀?jīng)談到了。

然而人們不知道這種膨脹會(huì)一直繼續(xù)下去，還是會(huì)倒轉(zhuǎn)來(lái)發(fā)生宇宙回縮，從而將時(shí)間拉向后退。

出發(fā)之前就到達(dá)了 

在影片《回到本來(lái)》中的時(shí)光穿梭機(jī)是有趣的幻想。費(fèi)曼的物質(zhì)——反物質(zhì)機(jī)器是值得稱贊的，但對(duì)我們來(lái)說(shuō)這種機(jī)器實(shí)在太小了。然而許多科學(xué)家深信在宇宙的不同點(diǎn)上存在時(shí)間機(jī)器。美國(guó)圖蘭大學(xué)的弗蘭克·蒂普勒早在1974年的《物理學(xué)雜志》上發(fā)表了關(guān)于宇宙中有時(shí)間機(jī)器的首篇作品。這就是所謂“時(shí)空隧道”，即蟲(chóng)洞(Wormholes)，一種恒星的出入口。當(dāng)時(shí)空結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，時(shí)空隧道就會(huì)把處于不同空間和時(shí)間的兩個(gè)黑洞瞬間連接起來(lái)。根據(jù)英國(guó)天體物理學(xué)家約翰 ·格里賓(John Gribbin)的看法，這些宇宙時(shí)間機(jī)器可以被拖拉在一起，一個(gè)靠近另一個(gè)，而兩個(gè)機(jī)器之間的年代差可以保持不變。格里賓說(shuō)，假定有一個(gè)隧道能把兩個(gè)黑洞聯(lián)系起來(lái)，兩個(gè)黑洞之間的時(shí)差僅為1小時(shí)，它們之間的距離只用10分鐘就可到達(dá)，那么一個(gè)宇航員于12時(shí)從第一個(gè)黑洞出發(fā)，12時(shí)10分抵達(dá)第二個(gè)黑洞的入口處，但實(shí)際上第二個(gè)黑洞那時(shí)還是11時(shí)10分。那么宇航員進(jìn)入第一個(gè)黑洞和瞬間鉆出第一個(gè)黑洞時(shí)間都是11時(shí)10分，就是說(shuō)出他出發(fā)時(shí)早了50分鐘。

另一種宇宙時(shí)間機(jī)器是一種與黑洞性質(zhì)有關(guān)的現(xiàn)象。物理學(xué)家尤其主張，沒(méi)有東西可阻止稱為“裸露”的黑洞存在，在這種黑洞中，光可從其中逃逸。在這種情況下，在黑洞內(nèi)部由于時(shí)間可向后移動(dòng)，從理論上講，我們可從逃逸的光得到有關(guān)黑洞反方向活動(dòng)現(xiàn)象的信息：首先“我們將看到”它的結(jié)束，之后才是它的開(kāi)始。這種設(shè)想并不像感覺(jué)的那樣奇異，因?yàn)槟承┨祗w物理學(xué)家深信這些宇宙時(shí)間機(jī)器是存在的。它們的存在可以從觀察宇宙中得到證實(shí)。例如，如果按反方向觀察一個(gè)恒星的爆炸，那么就會(huì)做出它的光是經(jīng)過(guò)一部宇宙時(shí)間機(jī)器傳遞的解釋。

對(duì)我們來(lái)說(shuō)，這類系統(tǒng)作為返回過(guò)去和走向來(lái)的交通工具是無(wú)法使用的，但作為類似“電視”的效應(yīng)，它能使我們看到發(fā)生事情之前發(fā)生的事和發(fā)生事情之后將要發(fā)生的事。