時(shí)間是什么？這是一個(gè)古老的話題，伴隨著人類的整個(gè)科學(xué)發(fā)展史。并且隨著我們?nèi)祟悓?duì)自然界認(rèn)識(shí)的深入，這個(gè)問題在不同的時(shí)期也有著不同的答案。縱觀整個(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(duì)于時(shí)間的認(rèn)識(shí)。

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

1. 古人的時(shí)鐘與時(shí)間

     地球繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng)以及地球穩(wěn)定自轉(zhuǎn)這兩種物理現(xiàn)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(xiàn)在人類的認(rèn)知中。

春去秋來寒來暑往，祖先們世代重復(fù)著日出而作日落而息的規(guī)律生活。于是在生命的自然演化中，我們?nèi)祟愐策M(jìn)化出了用于適應(yīng)這兩個(gè)天然時(shí)鐘的生物鐘。

隨著越來越深入認(rèn)識(shí)大自然，古人開始利用身邊的物理現(xiàn)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(xiàn)的人造計(jì)時(shí)工具，在古中國、古雅典以及古印度均有使用。漏刻種類多種多樣，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(biāo)桿，水位隨著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(biāo)桿刻度差便是時(shí)間差。

1.1 古雅典時(shí)期的漏刻（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

1.2 中國古代漏刻（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

2. 牛頓的時(shí)鐘與時(shí)間

     隨著人類對(duì)物理現(xiàn)象更加深入的理解，各種各樣的計(jì)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(yīng)用廣泛。無論是何種時(shí)鐘，本質(zhì)上它的工作原理都是在對(duì)重復(fù)性物理現(xiàn)象進(jìn)行計(jì)數(shù)，而相鄰兩次物理現(xiàn)象的時(shí)間間隔被人為的賦予一個(gè)數(shù)值，這個(gè)數(shù)值被稱作是此時(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(xiàn)象出現(xiàn)的次數(shù)。

     不同的時(shí)鐘在對(duì)不同的物理現(xiàn)象進(jìn)行計(jì)數(shù)，單擺鐘對(duì)擺針擺動(dòng)的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)而彈簧振子鐘對(duì)振子震蕩的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。不同物理現(xiàn)象的背后卻有著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(shù)是影響彈簧振子鐘快慢的因素?，F(xiàn)在有一對(duì)相同的單擺鐘和一對(duì)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有明顯的快慢區(qū)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(dāng)然不是，地球上的單擺鐘所測(cè)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(rèn)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(duì)四種不同的物理現(xiàn)象進(jìn)行計(jì)數(shù)）

3. 愛因斯坦的時(shí)鐘和時(shí)間

     1905年，愛因斯坦提出了狹義相對(duì)論，闡述了運(yùn)動(dòng)中的時(shí)間變慢效應(yīng)。1915年，愛因斯坦又提出廣義相對(duì)論，闡述了引力使時(shí)間變慢的效應(yīng)。也就是說，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(duì)運(yùn)動(dòng)速度以及物體之間的引力相互作用。換句話說，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(duì)論的時(shí)空觀里，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(duì)速度與引力大小，則它們的時(shí)間差異便可由相對(duì)論計(jì)算而得。

     原子鐘通過記錄原子輻射出的光子的震蕩次數(shù)進(jìn)行計(jì)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飛船遨游了一段時(shí)間。當(dāng)飛船回到地面后發(fā)現(xiàn)，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(duì)論所預(yù)測(cè)的運(yùn)動(dòng)和引力影響時(shí)間快慢的結(jié)論。相較于牛頓時(shí)期，這時(shí)期的人們對(duì)于時(shí)鐘的態(tài)度也開始發(fā)生改變。

3.1（1971年的原子鐘遨游太空實(shí)驗(yàn)）

4. 愛因斯坦遺留下來的問題

     在牛頓時(shí)期，時(shí)鐘普遍被認(rèn)為只是一種重復(fù)物理現(xiàn)象的儀器，時(shí)鐘變快或者變慢僅表明這種儀器所重復(fù)的物理現(xiàn)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(xiàn)代的人卻普遍認(rèn)為時(shí)鐘的快慢是時(shí)間的快慢導(dǎo)致的，而不再認(rèn)為是某種相互作用的因素使得此時(shí)鐘所測(cè)的物理過程變快或者變慢，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(jié)于時(shí)間的快慢似乎避免了很多麻煩。然而這種認(rèn)知的背后卻會(huì)引發(fā)新的問題。

問題1：?jiǎn)螖[鐘

     假設(shè)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(cè)時(shí)間，因此地球上的單擺鐘所測(cè)時(shí)間快于月球的單擺鐘。然而由廣義相對(duì)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(yùn)動(dòng)速度的情況下），這與單擺鐘所測(cè)的結(jié)果相矛盾。因此，在這種情況下，使用單擺鐘和原子鐘所測(cè)量的時(shí)差不一致，而原子鐘所測(cè)的時(shí)間差符合廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)。兩種時(shí)鐘所測(cè)時(shí)間快慢效應(yīng)不一致的原因是：這兩種時(shí)鐘所計(jì)數(shù)的兩種物理現(xiàn)象分別受到兩種不同因素的影響，詳細(xì)證明過程請(qǐng)參考原文鏈接。

問題2：雙時(shí)鐘版的“雙生子悖論”

     愛麗絲和鮑勃是一對(duì)龍鳳胎，愛麗絲攜帶一個(gè)單擺鐘和一個(gè)原子鐘在一個(gè)強(qiáng)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(qiáng)度大于飛船所受引力強(qiáng)度，因而愛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。那么問題來了：愛麗絲和鮑勃，誰衰老的更快？

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

4.1 （雙時(shí)鐘版的“雙生子悖論”）

5. 解決問題并在相對(duì)論的基礎(chǔ)上再往前邁進(jìn)

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

打破對(duì)時(shí)鐘的傳統(tǒng)理解

     無論是原子鐘、單擺鐘、彈簧振子鐘或是其它各種各樣的計(jì)時(shí)工具，它們都只是用來記錄周期性現(xiàn)象所出現(xiàn)次數(shù)的一種儀器，每一種儀器的運(yùn)轉(zhuǎn)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。無論哪種儀器，它變快或者變慢都有來自其他物理相互作用的原因，而不能歸結(jié)于時(shí)間變快、或者變慢這種空洞的理念。就像單擺鐘在強(qiáng)引力場(chǎng)中變快只是因?yàn)閺?qiáng)引力讓單擺擺動(dòng)速度加快了，而不是時(shí)間變快了。對(duì)于原子鐘也一樣，它的變慢只是由于強(qiáng)引力場(chǎng)對(duì)原子的作用使得原子輻射這個(gè)物理過程變慢了【證明過程見參考文獻(xiàn)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(jī)械裝置或者其他物理現(xiàn)象運(yùn)轉(zhuǎn)的作用力，因此它本身并不能讓任何物理過程變快或者變慢。

打破對(duì)時(shí)間的傳統(tǒng)理解

     無論是牛頓時(shí)期，還是愛因斯坦時(shí)期，時(shí)間都被當(dāng)作真實(shí)的物理存在。然而事實(shí)上，我們從沒有測(cè)量過作為獨(dú)立于物理現(xiàn)象而存在的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們只能測(cè)量某個(gè)物理現(xiàn)象，時(shí)鐘本質(zhì)上也是一種對(duì)某個(gè)重復(fù)出現(xiàn)的物理現(xiàn)象進(jìn)行計(jì)數(shù)的儀器。即便是開展引力波測(cè)量實(shí)驗(yàn)，物理學(xué)家們也僅能測(cè)出光子由于遙遠(yuǎn)黑洞的影響而發(fā)生變化的運(yùn)動(dòng)軌跡，而時(shí)空的漣漪（即引力波）只是提供了一種數(shù)學(xué)模型來解釋這種現(xiàn)象而已。因此，若某個(gè)概念僅存在于數(shù)學(xué)中而無法真正地出現(xiàn)在物理實(shí)驗(yàn)儀器前，那么我們?yōu)楹芜€要執(zhí)著于把它當(dāng)作某種真實(shí)的物理存在呢？

     原子鐘在強(qiáng)引力場(chǎng)中會(huì)變慢，那么僅憑這一點(diǎn)就能斷定在強(qiáng)引力場(chǎng)中的時(shí)間會(huì)變慢嗎，或者說，其他所有的物理過程在強(qiáng)引力場(chǎng)中都會(huì)變慢嗎？目前已知是不能的，但是為何當(dāng)代主流學(xué)界卻普遍地認(rèn)為時(shí)間真的變慢呢？究其原因，大概率是因?yàn)榇蠖鄶?shù)人將時(shí)間當(dāng)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(cè)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)物理存在的觀念。如果我們將時(shí)間僅僅視作描述物理過程的數(shù)學(xué)參數(shù)，也就不難理解在強(qiáng)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，在強(qiáng)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(duì)應(yīng)于哪一個(gè)物理過程。

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

6. 結(jié)論

     相對(duì)論所預(yù)測(cè)的時(shí)間變慢，并不意味著所有的物理變化過程都會(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其它所有的時(shí)鐘也都變慢，比如說單擺鐘在強(qiáng)引力場(chǎng)中反而會(huì)加快。并且，我們通過一個(gè)雙時(shí)鐘版的“雙生子悖論”的思想實(shí)驗(yàn)指出，相對(duì)論所預(yù)測(cè)的時(shí)間延緩效應(yīng)不會(huì)發(fā)生在對(duì)應(yīng)于人體衰老這種復(fù)雜的生理過程中。

     為了解決上述問題，我們可以在相對(duì)論基礎(chǔ)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程相關(guān)。不同的物理過程會(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(jié)底，時(shí)間僅僅是描述物理過程的一個(gè)數(shù)學(xué)參數(shù)而已。

     或許有些讀者會(huì)認(rèn)為單擺鐘在強(qiáng)引力場(chǎng)中變慢是由于相互作用引起的，與時(shí)間本身的流逝無關(guān)。若如此，那我們?cè)趺磪^(qū)分哪些物理過程的快慢和時(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(shù)物理現(xiàn)象出現(xiàn)次數(shù)的儀器，所有的時(shí)鐘快慢以及所有的物理現(xiàn)象的快慢均不可歸結(jié)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(dǎo)致的。例如當(dāng)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(dǎo)致，而非時(shí)間變慢所致。再者，原子鐘在強(qiáng)引力場(chǎng)中變慢是由于強(qiáng)引力作用導(dǎo)致原子能級(jí)發(fā)生了變化，從而使得原子輻射過程變慢，而非時(shí)間變慢導(dǎo)致；單擺鐘在強(qiáng)引力場(chǎng)中變快是由于強(qiáng)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)輕松的話題，或許有些讀者在一些科幻小說甚至電影里看過主角穿越時(shí)間回到過去拯救世界的故事，那么為何現(xiàn)實(shí)中我們從沒有遇到過未來人呢？現(xiàn)在看完文章后應(yīng)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(xiàn)任職西南交通大學(xué)物理系。