關(guān)于時(shí)間的基本事實(shí)

愛因斯坦在20世紀(jì)初建立狹義相對(duì)論，在這個(gè)理論中，時(shí)間和空間不再是獨(dú)立的，也不再是絕對(duì)不可更改的。

一個(gè)乘坐高速飛船的人以接近光速的速度離開地球到太空中旅行一圈再回來，他的時(shí)鐘就變慢了，比如說，在這個(gè)過程中，地球上的時(shí)鐘也許過去了1000個(gè)小時(shí)，而他的時(shí)鐘僅僅走了一個(gè)小時(shí)。同樣，這位旅行者也比地球上的同齡人顯得更年輕，因?yàn)樗眢w里的時(shí)間也變慢了。總而言之，飛船上所有物理過程都變慢了。

后來，愛因斯坦建立了廣義相對(duì)論，在這個(gè)有史以來最抽象、最美麗的理論中，時(shí)間變得更加不可思議了。例如，將一只鐘拿到黑洞邊緣走一圈回來，你會(huì)發(fā)現(xiàn)時(shí)鐘也變慢了。我們將在下一章解釋時(shí)鐘和萬有引力的關(guān)系。

但是，時(shí)間還是比空間更為神秘。即使我們理解了愛因斯坦的難懂的廣義相對(duì)論，我們也還沒有真正理解時(shí)間。

什么是時(shí)間？物理學(xué)的解釋很簡(jiǎn)單，時(shí)間就是計(jì)時(shí)。可以說，物理學(xué)的進(jìn)步與計(jì)時(shí)的改善分不開。

守時(shí)與農(nóng)業(yè)革命分不開，因?yàn)楹螘r(shí)播種、何時(shí)收獲等與季節(jié)有關(guān)。古人早就注意到了這些自然現(xiàn)象的周期性，從而制定出歷法，最早的歷法已經(jīng)有5000年歷史了。歷法要做到精確，就必須精確地計(jì)量時(shí)間，但僅僅用地球自轉(zhuǎn)（天）來計(jì)時(shí)，就無法將地球的公轉(zhuǎn)（年）計(jì)算精確，因?yàn)檫@兩個(gè)周期不是成整數(shù)倍的。

水鐘在古巴比倫和埃及可以上溯到公元前16世紀(jì)。據(jù)說機(jī)械鐘在西方可以追溯到13世紀(jì)，卻沒有保留下來的實(shí)物。最早的記錄分（沒有秒）的時(shí)鐘制造于1475年，后來出現(xiàn)了記錄秒和分的鐘。

伽利略第一個(gè)注意到鐘擺的運(yùn)動(dòng)是周期性的，他似乎也有過利用鐘擺來制造時(shí)鐘的想法。惠更斯計(jì)算出一秒鐘對(duì)應(yīng)的擺長是99.38厘米，從而制造了第一個(gè)用鐘擺驅(qū)動(dòng)的時(shí)鐘。可見，鐘表的原理和精確度與某個(gè)被利用的周期運(yùn)動(dòng)有關(guān)。機(jī)械鐘一般能準(zhǔn)確到一天誤差一秒就算好的了，不過我們?nèi)粘Ｉ钪幸膊恍枰鼫?zhǔn)確的時(shí)鐘。

科學(xué)實(shí)驗(yàn)和高技術(shù)需要更準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)。戴過表的人都知道石英表，石英晶體的振動(dòng)被交流電轉(zhuǎn)變成電壓的周期變化，這個(gè)變化被線路組成的部件探測(cè)到，這就是石英鐘的計(jì)時(shí)原理。石英晶體的振蕩周期與石英的具體形狀和大小有關(guān)，尋常石英鐘的振蕩頻率是32768赫茲，也就是說在1秒鐘內(nèi)振蕩了32768次，振蕩一次就是1/32768秒。如果這個(gè)振蕩頻率精確到個(gè)位數(shù)，那么一天下來，振蕩次數(shù)的誤差不大于8萬次（也就是一天內(nèi)的秒數(shù)），這樣，石英鐘的一天誤差就能夠保持在秒的范圍。為什么選擇32768這個(gè)頻率呢？因?yàn)檫@個(gè)數(shù)字恰好是215，這是利用2進(jìn)位的數(shù)字鐘需要的。石英晶體的振蕩頻率受到溫度的影響，從而影響時(shí)鐘的精確性。經(jīng)過溫度校準(zhǔn)的石英鐘可以準(zhǔn)確到每年誤差大約是10秒鐘。

我們看到，精確的計(jì)時(shí)其實(shí)都暗含了一個(gè)重要假定，就是假設(shè)了周期性運(yùn)動(dòng)的存在，從地球的自轉(zhuǎn)，到石英鐘的振蕩頻率。如果沒有周期性運(yùn)動(dòng)怎么辦？古代的物理學(xué)家或許沒有想過這個(gè)問題。時(shí)間的存在，其本身也許就暗含了周期性運(yùn)動(dòng)的存在。實(shí)在不行，我們就隨便定義時(shí)間，在這么做之后，再看物理學(xué)定律采取什么樣的形式。

當(dāng)我們說時(shí)間均勻流逝的時(shí)候，這也暗含了一個(gè)假定——至少存在某種周期性運(yùn)動(dòng)，它的周期不變。這樣，用這種運(yùn)動(dòng)定義出來的時(shí)間就是均勻的，也就是說，昨天的一個(gè)周期等于今天的一個(gè)周期，也等于任何時(shí)候的一個(gè)周期。一個(gè)會(huì)動(dòng)腦子的人會(huì)問，周期永遠(yuǎn)不變是定義出來的吧？這個(gè)疑問有道理。因此，如果只存在一種周期運(yùn)動(dòng)，我們就會(huì)說時(shí)間均勻性完全是人為定義的。

如果存在兩種或兩種以上的周期運(yùn)動(dòng)呢？比如說，一個(gè)單擺的周期，以及地球自轉(zhuǎn)的周期。你可以假設(shè)地球的自轉(zhuǎn)不變，昨天的一天等于今天的一天，這是定義。現(xiàn)在我們可以問，昨天一天中某個(gè)單擺擺動(dòng)了若干次，今天是否同樣擺動(dòng)了若干次？如果答案是肯定的，那么時(shí)間的均勻流動(dòng)就有意義了。

有趣的是，幾乎所有的周期性運(yùn)動(dòng)的周期在相互比較之下，都是不變的，這是一個(gè)基本物理事實(shí)，至少在所謂慣性參照系中是成立的。時(shí)間的這個(gè)特點(diǎn)確實(shí)是一個(gè)奇跡，也就是說，時(shí)間真的是均勻流動(dòng)的。

《三體》中出現(xiàn)了人類的計(jì)時(shí)，也就是地球的計(jì)時(shí)方法，另外也出現(xiàn)了三體人的計(jì)時(shí)。例如，《三體Ⅰ》中就直接出現(xiàn)了三體時(shí)：“在以后的兩個(gè)三體時(shí)中，監(jiān)聽員知道了地球世界的存在，知道了那個(gè)只有一個(gè)太陽，永遠(yuǎn)處于恒紀(jì)元中的世界，知道了在永遠(yuǎn)風(fēng)調(diào)雨順的天堂中誕生的人類文明。”當(dāng)然，作者沒有告訴我們一個(gè)三體時(shí)相當(dāng)于多少地球時(shí)，不過，既然出現(xiàn)了三體時(shí)，作者就假定這兩種時(shí)間是可以對(duì)比的，而且兩種時(shí)間都是均勻流逝的。《三體》中沒有出現(xiàn)三體日和三體年，因?yàn)樵谧髡叩募僭O(shè)中，由于該星系有三個(gè)恒星存在，三體行星的運(yùn)動(dòng)不是周期性的，事實(shí)上是混亂的，所以才有亂紀(jì)元。

在《三體Ⅲ》中，還出現(xiàn)了神秘的時(shí)間顆粒，這是毀滅了人類文明的“歌者”和“長老”所屬文明的計(jì)時(shí)單位。也許，一個(gè)時(shí)間顆粒對(duì)應(yīng)一萬年，甚至更久？

在物理學(xué)中，時(shí)間的均勻流逝使得物理學(xué)定律看起來非常簡(jiǎn)單，比如說，牛頓第二定律就不會(huì)明顯含有時(shí)間。這個(gè)定律說，一個(gè)物體的加速度與這個(gè)物體所受到的力成正比，正比系數(shù)反比于物體的質(zhì)量。如果時(shí)間不是均勻流逝的，那么，牛頓第二定律也許還成立，但質(zhì)量可能與時(shí)間有關(guān)，一個(gè)昨天還很重的物體，今天就變輕了。

物理學(xué)定律與時(shí)間無關(guān)非常重要，因?yàn)檫@樣一來，世界看上去就比較簡(jiǎn)單，更容易被理解。否則，我們真的很難總結(jié)出什么物理學(xué)定律，因?yàn)樽蛱斓亩珊徒裉觳灰粯樱岸伞敝械摹岸ā北緛硎呛愣ǖ囊馑迹热粵]有恒定，哪里來的定律？

也許只有物理學(xué)家和學(xué)習(xí)物理的學(xué)生知道，時(shí)間的均勻流逝還有一個(gè)重要后果，那就是能量守恒。我們很難脫離數(shù)學(xué)來解釋時(shí)間的均勻性與能量守恒之間的關(guān)系，但是，有一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)可以幫助我們理解它們之間的關(guān)系。

這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)和量子論有關(guān)。后面我們會(huì)介紹量子論的主要特點(diǎn)，現(xiàn)在，我們先接受量子論中的一個(gè)重要事實(shí)，也就是，一個(gè)物體的能量有對(duì)應(yīng)的自身頻率。比如說，一個(gè)基本粒子越重，它所對(duì)應(yīng)的頻率就越大。粒子和波的二象性其實(shí)說的就是這個(gè)。一個(gè)粒子既是粒子，又是波。當(dāng)一個(gè)粒子很輕時(shí)，它的量子波動(dòng)特性就很明顯，因?yàn)轭l率比較低，振動(dòng)得慢。反之，一個(gè)宏觀物體，比如一個(gè)手機(jī)，一本書，它們的質(zhì)量都相對(duì)很大，對(duì)應(yīng)的頻率就非常非常高，我們就不可能察覺它們的量子振動(dòng)。

現(xiàn)在，我們就能理解時(shí)間的均勻性與能量守恒之間的關(guān)系了。如果時(shí)間是均勻流逝的，那么一個(gè)物體的振動(dòng)頻率在昨天和今天是一樣的，通過量子論，它們對(duì)應(yīng)的能量在昨天和今天也是一樣的。

很多琢磨過時(shí)間問題的人一定會(huì)問這樣的問題，時(shí)間有開頭嗎？時(shí)間有結(jié)束嗎？

看起來，這是一個(gè)自相矛盾的問題。如果時(shí)間有一個(gè)開頭，我們就會(huì)問，開頭之前有什么？同樣，如果時(shí)間會(huì)結(jié)束，我們又會(huì)問，結(jié)束之后有什么？

其實(shí)這個(gè)問題本身并不矛盾。基督教哲學(xué)家奧古斯丁就思考過這樣的問題，他認(rèn)為，時(shí)間是主觀的，只有當(dāng)你可以測(cè)量時(shí)，時(shí)間才存在。如果在時(shí)間的開始“之前”和時(shí)間的結(jié)束“之后”，并不存在任何測(cè)量，談時(shí)間也就是虛妄的。

在牛頓體系中，時(shí)間無始無終。時(shí)間可以無始無終，這與力學(xué)的基本定律不矛盾。但是，在熱力學(xué)出現(xiàn)之后，無始無終的時(shí)間就自相矛盾了。比如說，我們知道，熱力學(xué)第二定律告訴我們一個(gè)系統(tǒng)的混亂度會(huì)越來越大，如果時(shí)間沒有開始，任何一個(gè)孤立系統(tǒng)的混亂度都是最大的，但這和我們的觀察相矛盾。地球上任何系統(tǒng)的混亂度都不是最大的，太陽系也不是，其他恒星系統(tǒng)也不是。因此，如果熱力學(xué)第二定律成立，時(shí)間最好有一個(gè)開始。我們同樣可以問，如果時(shí)間沒有結(jié)束，那么熱力學(xué)第二定律是不是也預(yù)言了宇宙將趨于熱寂，即宇宙將變成沒有任何細(xì)節(jié)，所有系統(tǒng)都變成熵最大的狀態(tài)？

大爆炸宇宙學(xué)確實(shí)告訴我們，時(shí)間有一個(gè)開頭，也就是說，我們的宇宙開始于138億年前，在這以前，談時(shí)間沒有意義。所以，我們不用擔(dān)心如何去理解我們看到的系統(tǒng)都處于活躍狀態(tài)。

那么，時(shí)間有結(jié)束嗎？這個(gè)問題，我們留到第五章中討論。