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千里共嬋娟：時間是共同的約定（轉(zhuǎn)載自科學(xué)網(wǎng)博主 很震撼的） 已有2人參與
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何處無月明, 可憐離人愁；千里共嬋娟，但愿人長久。一年一度的中秋又使人們想起了若虛先生美到極致的‘春江花月夜’和東坡先生傳誦千年的‘丙辰中秋’。大江南北，長城內(nèi)外，你都可以看到明亮的圓月，都可以據(jù)此判斷出，今日是八月十五�？茖W(xué)家們，也許可從蘇公詞中的‘共’字中覺悟出‘時間’是什么。 到處有時鐘，‘時間’是什么？古羅馬哲學(xué)家奧古斯丁說：你不問，我知道，你若問，我迷茫。本文認(rèn)為，講清了各個時鐘之間的關(guān)系，時間的概念可能就大致清楚了�！Ю锕矉染辍械摹病挚赡軉⑹疚覀儯簳r間是系統(tǒng)內(nèi)所有客體的一種共同約定。 1. 關(guān)于系統(tǒng) 在一定范圍內(nèi)，所有相關(guān)客體的集合成為一個系統(tǒng)。一個山村，所有的村民，飛禽走獸、流水花草，組成一個山村系統(tǒng)；一支部隊，首長和軍士，戰(zhàn)馬和車輛，組成一個部隊系統(tǒng)；地球上所有的動物和植物，高山和大海，組成一個地球系統(tǒng)；太陽及八大行星，組成一個太陽系系統(tǒng)。依次類推，還有銀河系統(tǒng)，河外星系系統(tǒng)和宇宙系統(tǒng)。 2. 時鐘及其誤差 眾所周知，系統(tǒng)內(nèi)的所有客體都在運動和變化，為了比較各個客體運動和變化的次序，需要定義可計量的時鐘。實際上，任何可重復(fù)的周期性運動過程都可以當(dāng)作時鐘。這些時鐘的速率都受具體環(huán)境的影響：銅壺滴漏受氣溫、氣壓的影響，日出日落受季節(jié)的影響，地球自轉(zhuǎn)速率受潮汐的影響，真太陽時受整個太陽系物質(zhì)運動的影響，機械表受溫度、電磁場的影響，單擺鐘和原子鐘都受地方重力場的影響。因此，任何具體的周期性運動都是不均勻的，也就是說，任何具體的時鐘都是有誤差的。 現(xiàn)在，我們認(rèn)為GPS系統(tǒng)中的銫原子鐘是一種精度極高的時鐘。 然而，精密的測量發(fā)現(xiàn)：在地鐘和星鐘之間仍存在每日45微秒的差別。地鐘和星鐘有差別，衛(wèi)星所在處的引力場與地面的引力場有差別，科學(xué)界對這兩個事實并無異議；但如何理解時鐘速率之差與引力場之差的關(guān)系? 有兩種不同的說法。廣義相對論認(rèn)為：引力場之差造成了時間膨脹，所以兩處的時鐘速率不同；本文認(rèn)為，如同溫度場、電磁場會造成機械表的誤差一樣，引力場的差異也會使原子躍遷頻率不同，從而造成了兩地銫原子鐘讀數(shù)的差別，這應(yīng)是一個簡單、自然而合理的解釋。 我們可以進一步用脈沖星時鐘證明：星鐘與地鐘速率有差別不是由于引力場之差造成了本質(zhì)性的時間膨脹，而是由于引力場之差造成了特定類型時鐘的誤差。證明如次：根據(jù)廣義相對論的表述，時間膨脹應(yīng)是引力場中時空的一種固有特性，與所用時鐘的類型無關(guān)；設(shè)想，將GPS系統(tǒng)現(xiàn)有的銫原子鐘統(tǒng)統(tǒng)改為精度更高的脈沖星時鐘，即分別在衛(wèi)星上和在地面接收脈沖星的脈沖信號并以此確定各自的時間；一方面，衛(wèi)星上與地面的引力場差別依然存在，另一方面，衛(wèi)星上與地面的脈沖星時鐘的讀數(shù)不再有每日45微秒的差別。這就證明了‘引力場造成了時間膨脹’的說法不成立。 3. 平太陽時的啟示 真太陽時是根據(jù)地球與太陽之間的相對運動，即在地球上觀測太陽的視位置來確定的，但是太陽的周年視運動是不均勻的。為了消除這種不均勻性，Newcomb提出了平太陽時的概念：假設(shè)有一個視太陽在赤道面內(nèi)圍繞地球沿圓軌道均勻轉(zhuǎn)動，從1900年1月1日中午的春分點起算，將轉(zhuǎn)動一周又回到春分點的時間定義為一個標(biāo)準(zhǔn)回歸年（tropical year）。這樣，可根據(jù)平太陽在赤道面上均勻轉(zhuǎn)動的位置確定對應(yīng)的時刻。至于Newcomb為什么假設(shè)有一個視太陽在赤道面內(nèi)而不是在黃道面內(nèi)圍繞地球沿圓軌道均勻轉(zhuǎn)動，大概是為了更接近人們依據(jù)地球自轉(zhuǎn)確定時間的經(jīng)驗。 總之，Newcomb的平太陽是一個假設(shè)的太陽，是從真實太陽視運動軌道抽象出來的；一方面，保留了真實太陽視運動的主要特征，即標(biāo)準(zhǔn)回歸年的長度等于真實太陽視位置兩次（1900.1.1中午為第一次）經(jīng)過春分點的時間差，另一方面，又消除了真實太陽視運動的不均勻性。這樣的抽象方法可能對我們研究‘時鐘’與‘時間’有所啟示。 4. 時間是系統(tǒng)時鐘的共同約定 在一個系統(tǒng)內(nèi)，存在無數(shù)時鐘；由于物理環(huán)境的差別，每一個時鐘都是有誤差的；人們對其中持續(xù)過程長、相對穩(wěn)定均勻的一個作理想化、絕對均勻化處理，并共同約定為系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時鐘；以此標(biāo)準(zhǔn)時鐘為基準(zhǔn)，對其它時鐘，作誤差校正。這樣，在這一系統(tǒng)內(nèi)，由所有具體時鐘的物理環(huán)境的差別引起的時鐘誤差被消除了。例如，對GPS系統(tǒng)中的衛(wèi)星時鐘作每日45微秒的校正，就是將地面主控站的銫原子鐘，約定為整個GPS系統(tǒng)的共同標(biāo)準(zhǔn)。各顆衛(wèi)星的時鐘，都向這個共同標(biāo)準(zhǔn)看齊；整個GPS系統(tǒng)，時間是統(tǒng)一的。 對于由若干小系統(tǒng)組成的大系統(tǒng)，應(yīng)在大系統(tǒng)范圍內(nèi)，共同約定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時鐘，由所有小系統(tǒng)之間物理環(huán)境的差別引起的時間差別被消除了。比如，對于太陽系，應(yīng)在整個太陽系范圍內(nèi)，共同約定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時鐘，太陽、月球、水星、金星、地球、火星、木星、土星、海王星、天王星之間的物理環(huán)境差別引起的時間差別被消除了。對于由無數(shù)星系組成的宇宙，應(yīng)在全宇宙范圍內(nèi)，共同約定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時鐘，星系之間的差別引起的時間差別被消除了。 在1967年召開的第13屆國際度量衡大會上通過一個協(xié)議：‘對處于零磁場環(huán)境下，絕對零度時完全靜止的銫133原子，將其基態(tài)的兩個超精細(xì)能階間躍遷對應(yīng)輻射的9,192,631,770個周期的持續(xù)時間定義為1秒’。這個定義實際上就是一種理想化的共同約定，實際使用的銫原子鐘，沒有一個會滿足如此嚴(yán)苛的條件。此約定進一步告訴我們，磁場、溫度、運動，當(dāng)然還有局地引力場，都會影響銫原子鐘的速率,帶來誤差。將引力場差別引起的特殊類型時鐘的誤差說成是時間膨脹，是一個不自洽、不合理、不正確的概念。 結(jié)論和討論 現(xiàn)在，我們也許已可以回答：時間是什么？第一，系統(tǒng)的時間是系統(tǒng)內(nèi)所有客體，為了表征系統(tǒng)內(nèi)所有物理過程次序的共同約定；第二，這樣約定的系統(tǒng)時間是從系統(tǒng)內(nèi)所有時鐘抽象出來的，已消除了具體時鐘的各別特征，即消除了具體環(huán)境對具體時鐘影響之差別；第三，在一個系統(tǒng)內(nèi)，時鐘有無數(shù)個，但時間是統(tǒng)一的，時鐘有誤差，但時間不會膨脹。總之，時間是從時鐘讀數(shù)中抽象出來的，但‘時鐘讀數(shù)不等于時間’。 洛倫茲認(rèn)為，物理學(xué)研究的目的就在于‘尋求簡單的、可以說明所有現(xiàn)象的基本原理’。今天，本文對‘什么是時間’的理解似乎是‘簡單的’，既可以自然解釋引力場造成了銫原子時鐘的誤差，也可以自然解釋引力場對脈沖星時鐘無影響，似乎‘與所有現(xiàn)象都不矛盾’，似乎向洛倫茲的觀念又靠近了一步。 愛因斯坦是一位偉大的探索者，在電磁學(xué)和量子力學(xué)方面都有許多深刻的思考；愛因斯坦又是一位誠實的科學(xué)家，他心悅誠服地接受羅伯森的批評，果斷放棄了‘引力波不存在’的錯誤結(jié)論，改用達(dá)朗貝爾方程的推遲解獲得了‘引力波存在’的結(jié)論。愛因斯坦晚年，深入思考和總結(jié)他一生的科學(xué)貢獻。在他70歲生日之時，對他的發(fā)小，終生的摯友索洛文坦言：“我感到在我的工作中沒有一個概念是很牢靠地站得住的，我也不能肯定我所走的道路一般是正確的�！� 今日的我們，面對愛因斯坦晚年的這段肺腑之言，大概不能簡單地理解為‘偉大的謙虛’。 （2016.9.19） 轉(zhuǎn)載本文請聯(lián)系原作者獲取授權(quán)，同時請注明本文來自湯克云科學(xué)網(wǎng)博客。 鏈接地址：http://blog.sciencenet.cn/blog-773716-1003682.html 上一篇：開放的洛倫茲對中國科學(xué)家的啟示 下一篇：洛倫茲與愛因斯坦：師生相敬的典范 |
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3樓2017-06-11 14:37:12
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你講的的是時間的測量，但不是時間的本質(zhì)!就因為你把周期運動比做時間的計數(shù)一樣，這個在邏輯學(xué)上是重復(fù)的循環(huán)證明。沒有任何價值 發(fā)自小木蟲Android客戶端 |
4樓2017-06-11 23:14:34
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7樓2017-06-24 07:22:15
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