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千里共嬋娟：時(shí)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(wú)月明, 可憐離人愁；千里共嬋娟，但愿人長(zhǎng)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(zhǎng)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。科學(xué)家們，也許可從蘇公詞中的‘共’字中覺(jué)悟出‘時(shí)間’是什么。 到處有時(shí)鐘，‘時(shí)間’是什么？古羅馬哲學(xué)家?jiàn)W古斯丁說(shuō)：你不問(wèn)，我知道，你若問(wèn)，我迷茫。本文認(rèn)為，講清了各個(gè)時(shí)鐘之間的關(guān)系，時(shí)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(shí)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(gè)系統(tǒng)。一個(gè)山村，所有的村民，飛禽走獸、流水花草，組成一個(gè)山村系統(tǒng)；一支部隊(duì)，首長(zhǎng)和軍士，戰(zhàn)馬和車輛，組成一個(gè)部隊(duì)系統(tǒng)；地球上所有的動(dòng)物和植物，高山和大海，組成一個(gè)地球系統(tǒng)；太陽(yáng)及八大行星，組成一個(gè)太陽(yáng)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(shí)鐘及其誤差 眾所周知，系統(tǒng)內(nèi)的所有客體都在運(yùn)動(dòng)和變化，為了比較各個(gè)客體運(yùn)動(dòng)和變化的次序，需要定義可計(jì)量的時(shí)鐘。實(shí)際上，任何可重復(fù)的周期性運(yùn)動(dòng)過(guò)程都可以當(dāng)作時(shí)鐘。這些時(shí)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(yáng)時(shí)受整個(gè)太陽(yáng)系物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的影響，機(jī)械表受溫度、電磁場(chǎng)的影響，單擺鐘和原子鐘都受地方重力場(chǎng)的影響。因此，任何具體的周期性運(yùn)動(dòng)都是不均勻的，也就是說(shuō)，任何具體的時(shí)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(shí)鐘。 然而，精密的測(cè)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(chǎng)與地面的引力場(chǎng)有差別，科學(xué)界對(duì)這兩個(gè)事實(shí)并無(wú)異議；但如何理解時(shí)鐘速率之差與引力場(chǎng)之差的關(guān)系? 有兩種不同的說(shuō)法。廣義相對(duì)論認(rèn)為：引力場(chǎng)之差造成了時(shí)間膨脹，所以兩處的時(shí)鐘速率不同；本文認(rèn)為，如同溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)會(huì)造成機(jī)械表的誤差一樣，引力場(chǎng)的差異也會(huì)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(gè)簡(jiǎn)單、自然而合理的解釋。 我們可以進(jìn)一步用脈沖星時(shí)鐘證明：星鐘與地鐘速率有差別不是由于引力場(chǎng)之差造成了本質(zhì)性的時(shí)間膨脹，而是由于引力場(chǎng)之差造成了特定類型時(shí)鐘的誤差。證明如次：根據(jù)廣義相對(duì)論的表述，時(shí)間膨脹應(yīng)是引力場(chǎng)中時(shí)空的一種固有特性，與所用時(shí)鐘的類型無(wú)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(shí)鐘，即分別在衛(wèi)星上和在地面接收脈沖星的脈沖信號(hào)并以此確定各自的時(shí)間；一方面，衛(wèi)星上與地面的引力場(chǎng)差別依然存在，另一方面，衛(wèi)星上與地面的脈沖星時(shí)鐘的讀數(shù)不再有每日45微秒的差別。這就證明了‘引力場(chǎng)造成了時(shí)間膨脹’的說(shuō)法不成立。 3. 平太陽(yáng)時(shí)的啟示 真太陽(yáng)時(shí)是根據(jù)地球與太陽(yáng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即在地球上觀測(cè)太陽(yáng)的視位置來(lái)確定的，但是太陽(yáng)的周年視運(yùn)動(dòng)是不均勻的。為了消除這種不均勻性，Newcomb提出了平太陽(yáng)時(shí)的概念：假設(shè)有一個(gè)視太陽(yáng)在赤道面內(nèi)圍繞地球沿圓軌道均勻轉(zhuǎn)動(dòng)，從1900年1月1日中午的春分點(diǎn)起算，將轉(zhuǎn)動(dòng)一周又回到春分點(diǎn)的時(shí)間定義為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)回歸年（tropical year）。這樣，可根據(jù)平太陽(yáng)在赤道面上均勻轉(zhuǎn)動(dòng)的位置確定對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。至于Newcomb為什么假設(shè)有一個(gè)視太陽(yáng)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(dòng)，大概是為了更接近人們依據(jù)地球自轉(zhuǎn)確定時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)。 總之，Newcomb的平太陽(yáng)是一個(gè)假設(shè)的太陽(yáng)，是從真實(shí)太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)軌道抽象出來(lái)的；一方面，保留了真實(shí)太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)的主要特征，即標(biāo)準(zhǔn)回歸年的長(zhǎng)度等于真實(shí)太陽(yáng)視位置兩次（1900.1.1中午為第一次）經(jīng)過(guò)春分點(diǎn)的時(shí)間差，另一方面，又消除了真實(shí)太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)的不均勻性。這樣的抽象方法可能對(duì)我們研究‘時(shí)鐘’與‘時(shí)間’有所啟示。 4. 時(shí)間是系統(tǒng)時(shí)鐘的共同約定 在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，存在無(wú)數(shù)時(shí)鐘；由于物理環(huán)境的差別，每一個(gè)時(shí)鐘都是有誤差的；人們對(duì)其中持續(xù)過(guò)程長(zhǎng)、相對(duì)穩(wěn)定均勻的一個(gè)作理想化、絕對(duì)均勻化處理，并共同約定為系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘；以此標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘為基準(zhǔn)，對(duì)其它時(shí)鐘，作誤差校正。這樣，在這一系統(tǒng)內(nèi)，由所有具體時(shí)鐘的物理環(huán)境的差別引起的時(shí)鐘誤差被消除了。例如，對(duì)GPS系統(tǒng)中的衛(wèi)星時(shí)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(gè)GPS系統(tǒng)的共同標(biāo)準(zhǔn)。各顆衛(wèi)星的時(shí)鐘，都向這個(gè)共同標(biāo)準(zhǔn)看齊；整個(gè)GPS系統(tǒng)，時(shí)間是統(tǒng)一的。 對(duì)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(shí)鐘，由所有小系統(tǒng)之間物理環(huán)境的差別引起的時(shí)間差別被消除了。比如，對(duì)于太陽(yáng)系，應(yīng)在整個(gè)太陽(yáng)系范圍內(nèi)，共同約定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，太陽(yáng)、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(shí)間差別被消除了。對(duì)于由無(wú)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(shí)鐘，星系之間的差別引起的時(shí)間差別被消除了。 在1967年召開(kāi)的第13屆國(guó)際度量衡大會(huì)上通過(guò)一個(gè)協(xié)議：‘對(duì)處于零磁場(chǎng)環(huán)境下，絕對(duì)零度時(shí)完全靜止的銫133原子，將其基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能階間躍遷對(duì)應(yīng)輻射的9,192,631,770個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間定義為1秒’。這個(gè)定義實(shí)際上就是一種理想化的共同約定，實(shí)際使用的銫原子鐘，沒(méi)有一個(gè)會(huì)滿足如此嚴(yán)苛的條件。此約定進(jìn)一步告訴我們，磁場(chǎng)、溫度、運(yùn)動(dòng)，當(dāng)然還有局地引力場(chǎng)，都會(huì)影響銫原子鐘的速率,帶來(lái)誤差。將引力場(chǎng)差別引起的特殊類型時(shí)鐘的誤差說(shuō)成是時(shí)間膨脹，是一個(gè)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(shí)間是什么？第一，系統(tǒng)的時(shí)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(guò)程次序的共同約定；第二，這樣約定的系統(tǒng)時(shí)間是從系統(tǒng)內(nèi)所有時(shí)鐘抽象出來(lái)的，已消除了具體時(shí)鐘的各別特征，即消除了具體環(huán)境對(duì)具體時(shí)鐘影響之差別；第三，在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，時(shí)鐘有無(wú)數(shù)個(gè)，但時(shí)間是統(tǒng)一的，時(shí)鐘有誤差，但時(shí)間不會(huì)膨脹。總之，時(shí)間是從時(shí)鐘讀數(shù)中抽象出來(lái)的，但‘時(shí)鐘讀數(shù)不等于時(shí)間’。 洛倫茲認(rèn)為，物理學(xué)研究的目的就在于‘尋求簡(jiǎn)單的、可以說(shuō)明所有現(xiàn)象的基本原理’。今天，本文對(duì)‘什么是時(shí)間’的理解似乎是‘簡(jiǎn)單的’，既可以自然解釋引力場(chǎng)造成了銫原子時(shí)鐘的誤差，也可以自然解釋引力場(chǎng)對(duì)脈沖星時(shí)鐘無(wú)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(ài)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(ài)因斯坦又是一位誠(chéng)實(shí)的科學(xué)家，他心悅誠(chéng)服地接受羅伯森的批評(píng)，果斷放棄了‘引力波不存在’的錯(cuò)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(ài)因斯坦晚年，深入思考和總結(jié)他一生的科學(xué)貢獻(xiàn)。在他70歲生日之時(shí)，對(duì)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(méi)有一個(gè)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(duì)愛(ài)因斯坦晚年的這段肺腑之言，大概不能簡(jiǎn)單地理解為‘偉大的謙虛’。 （2016.9.19） 轉(zhuǎn)載本文請(qǐng)聯(lián)系原作者獲取授權(quán)，同時(shí)請(qǐng)注明本文來(lái)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(kāi)放的洛倫茲對(duì)中國(guó)科學(xué)家的啟示 下一篇：洛倫茲與愛(ài)因斯坦：師生相敬的典范 |
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你講的的是時(shí)間的測(cè)量，但不是時(shí)間的本質(zhì)!就因?yàn)槟惆阎芷谶\(yùn)動(dòng)比做時(shí)間的計(jì)數(shù)一樣，這個(gè)在邏輯學(xué)上是重復(fù)的循環(huán)證明。沒(méi)有任何價(jià)值 發(fā)自小木蟲(chóng)Android客戶端 |
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