时间

逝者如斯夫,不舍昼夜。-《论语》


我陷入了极难的困境,我时常和学生说,要想学好物理就要理解定义,定义的越精准理解的越透彻,当我尝试定义时间,根本无从下手。

有人说了,时间就是一秒一秒的时光流逝,在这一秒钟里:

  • 你的指甲能够长出1.2纳米;
  • 你的头发能够长出4.5纳米;
  • 你上小学的儿子能够长高1.8纳米;
  • 你能够走出1.2米;
  • 你的神经元信号能够传导1.6米~600米;
  • 菲尔普斯能游出2.3米;
  • 博尔特能跑出12米;
  • 高尔夫球能飞出60米;
  • 子弹能够飞出400米;
  • 黑鸟侦察机能飞出987米;
  • 北美X-15火箭动力飞机能飞出2020米;
  • 国际空间站飞行了7743米;
  • 地球绕着太阳飞行了30公里;
  • 太阳系绕着银河系飞行了216公里;
  • 银河系朝着仙女座星系飞行了550公里;
  • 光飞行了300000公里……

有人反驳说,这些秒速度,大部分我都感觉不到,我只能感觉到跟自己有关的时间轴。

时间轴穿越的世界,就是命运,构成了我们整个世界。

有人画龙点晴补充说,时间塞满了一切。整个世界都运行在一个时间框架里。

牛顿:时间是宇宙一个基本结构,就是一个单向的维度。

原话是:“绝对的、真实的和数学的时间,尤其特性决定的,自身均匀地流逝,与一切外在事物无关,又名延续。相对的、表象的和普通的时间是可感知和外在的(无论是精确的或是不均匀的)对运动指延续的度量,他常被用以代替真实的时间,如一小时,一天,一个月,一年。”

强如牛顿也没给出一个精简有效的定义。从《自然哲学之数学原理》的结构上能够明显地看出牛顿多多少少受到欧几里得的影响,人们也许无法画出一个完美的圆,但这对数学上的那个理想的圆没有任何影响。

康德说过:时间只是一种意识上的概念,是一种人为规定的有先后次序的规则。

博尔赫斯写过:时间是组成我的物质,是一条载着我向前的河流,可我就是这条河流。时间是一头吞噬我的老虎,可我就是这只老虎。时间是一团把我烧成灰烬的火焰,可我就是这团火焰。

不管怎么说,时间对于每个人每个界,定义都是不同的。

时间——这是个哲学问题、宗教问题、文学问题,更是个科学问题。

最终还是要给个定义,在高中阶段:

时间(Time)是物质的永恒运动、变化的持续性、顺序性的表现,包含时刻和时段两个概念。
时间是人类用以描述物质运动过程或事件发生过程的一个参数,确定时间,是靠不受外界影响的物质周期变化的规律。 以地球自转为基础的时间计量系统称为世界时系统。时、日、月、年、世纪的时间计量属天文学中的历法范畴。
时间是物理学中的七个基本物理量之一,符号为t。在国际单位制(SI)中,时间的基本单位是秒,符号s。


熵最初是根据热力学第二定律引出的一个反映自发过程不可逆性的物质状态参量。

熵是宏观量,是构成体系的大量微观离子集体表现出来的性质。它包括分子的平动、振动、转动、电子运动及核自旋运动所贡献的熵,谈论个别微观粒子的熵无意义。

拿一个放满水的玻璃杯,往里面滴一滴墨水,起初能在透明的液体中间看见一滴墨水,墨水渐渐化开,很快,整杯水变成了墨水的颜色。

墨滴融入水的过程中,熵不会减弱,因此我们以为有“之前”和“之后”之分,从而感到时间流逝。

这个实验,你可以重复做上10次,最终你都会得到一杯墨水的稀释物。从单个分子角度来看,墨水没有“理由”混合入水中。没有一条物理法则会强迫分子混合。不过热力学第二定律倒是认为,一个独立系统(此处是指清水加墨水的杯中物)会自发地演变成一种平衡状态,更加稳定,也更加无序。

我是比较认同这个观点的,时间是宇宙朝着不可逆的混乱状态发展的过程即为时间。

每个物体的熵增速度不同,时间也就不同,假如我们重复做上面的实验,温度越低的水扩散速度就越慢,时间也就越长。这个效果也会在冷冻的生物得到验证,比如一些生物可以冷冻,一旦冷冻他的保质期就会变长,一些细菌病毒冰冻之后可以大大延长寿命,深圳一些细胞都可以被冷冻保存。

目前这个猜想还没有公式可以说明,有兴趣的朋友可以深入研究。


测量时间真是超级艰难的一件事,首先要制造一个精准的钟表。

公元1000年以前,人类主要是利用天文现象和流动物质的连续运动来计时。例如,日晷是利用日影的方位计时;这种方式对于长时间,非常精准,比如对年、节气授时,但是对于一天之内短时间的划分非常困难,比如秒,刻。

公元前140年到100年,古希腊人制造了用30至70个齿轮系统组成的奥林匹克运动会的计时器。这台仪器被称为“安提凯希拉仪”,由29个彼此咬合的铜质齿轮和多个刻度盘构成,大小与一个午餐盒相当。它于1901年在希腊安提凯希拉岛附近一艘古代沉船上被发现,因此得名,现保存在希腊国家考古博物馆。

14世纪在欧洲的英、法等国的高大建筑物上出现了报时钟,钟的动力来源于用绳索悬挂重锤,利用地心引力产生的重力作用。15世纪末、16世纪初出现了铁制发条,使钟有了新的动力来源,也为钟的小型化创造了条件。1583年,意大利人伽利略建立了著名的等时性理论,也就是钟摆的理论基础。1656年,荷兰的科学家惠更斯应用伽利略的理论设计了钟摆,第二年,在他的指导下年轻钟匠S.Coster制造成功了第一个摆钟。1675年,他又用游丝取代了原始的钟摆,这样就形成了以发条为动力、以游丝为调速机构的小型钟,同时也为制造便于携带的袋表提供了条件。

$$ T = \sqrt{\frac{L}{g}}$$

从钟摆周期公式只适用于摆幅小与5°,随着角度的增加,周期就不在准确,即便在5°内,由于长度、重力加速度的不同也会不同,即便是最好的机械表,一天误差都会在2秒。长时间的测量,表的准度还不及看太阳准呢。

直到1960至1967年之间,秒被定义为1960年地球自转一周时间的1/86,400。可是,问题出现了:这意味着地球一直在匀速转动。然而,事实并非如此。随着观测和测量技术的昌明发达,天体物理学家意识到,地球的自转速度不是一成不变的。

1946年,美国的物理学家利比博士弄清楚了原子钟的原理。于两年后,创造出了世界上第一座原子钟,原子钟至今也是最先进的钟。它的运转是借助铯、氨原子的天然振动而完成的,它可以在300年内都能准确运转,误差十分小。

1967年开始启用的一秒现有的定义,铯-133原子基态的两个超精细能级间跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间。

由于原子超精细能级跃迁周期的稳定性,“秒”的定义从此开始基于铯原子的超精细能级跃迁周期而定义,此时的秒被称为“原子秒”。这种基于原子的能级跃迁周期的计时工具也被叫做“原子钟”。

1969年石英表量产,这是一种更加轻便,精准的表,最少的一年误差5秒,而价格远远低于瑞士表。所有石英表都装有一粒电池。它为一块集成电路和一个石英谐振器提供能量,每秒振动32768次。还有比这更快的。集成电路是表的“大脑”。它控制着石英谐振器的振动,并起着分频器的作用。32768次振动被对半分割15次,以达到每秒产生一次脉冲。 有了一秒这个时间的“原材料”,就能驱动钟表。

我们发现,后期的时间控制基本都是基于频率的,频率越高,对时间的控制就会越精准。