时间存在吗? 为什么时间有时过得快有时过得慢? 从古至今,科学家和普通人是如何理解时间的,又是如何定义物理意义上和普通意义上的时间的? 我们可以回到过去吗? 我们可以从犯过的错误中重新开始吗? 在本课中,我们将讨论与时间相关的所有问题。
人类对于时间的认识有着悠久的历史。 早在农耕时代,人们就依靠日出日落、月圆月缺、季节更替等自然界的周期性变化来记录时间。 这就产生了一天、一个月甚至一年的概念。 古人发明了日晷、沙漏、水钟等原始计时工具。 我们在故宫里就能看到这些工具。 日晷利用阳光在指针上投射阴影。 当影子移动一格的时候,已经过去一个小时了。 沙漏和水钟比日晷更精确。 水钟利用水滴推动内部机构来计时,机械部分的运动就像我们手表的指针一样,但这种计时方法仍然不够准确。
滴漏
16世纪左右,人们开始航海,在海上迷茫。 他们不知道自己在哪里,也不知道时间。 所以,时间对于他们来说太重要了。 他们需要准确测量和定义时间。 一些政府甚至为解决这一问题的科学家提供高额奖励,要求创建一种每周误差不超过四分钟的计时工具。
据说伽利略当时也看到了悬赏通知,并被丰厚的奖金所吸引。 他觉得如果解决了这个问题,他就能获得一生的财富和自由。 从那时起,他开始认真思考。 当时,他在教堂工作,看到教堂里的钟摆(类似于钟摆,教堂里没有钟,只有钟摆)来回摆动。 他发现钟摆每次来回摆动的时间间隔是相同的。 所以他想也许他可以用钟摆来测量时间。 但他只是有这个想法,并没有真正解决问题。 比他晚一点的物理学家惠更斯解决了这个问题。 惠更斯发现钟摆来回摆动所需的时间与其长度有关。 钟摆越长,来回摆动所需的时间就越长。 于是他总结出了一个公式,这就是惠更斯公式。 然后,他参考了水钟的结构,用钟摆来调整那些机器的运动,使时间非常准确,每天的误差只有几秒钟。
伽利略
这就是物理学家测量时间的方式,后来我们有了秒和分钟、一天24小时、1小时60分钟、1分60秒的概念。 然而,直到19世纪下半叶,还没有人想到精确测量秒,甚至连秒的概念都不存在。 直到19世纪下半叶,“第二”一词才出现。 我们可以看到并听到时钟上一秒钟的滴答声。 这样就解决了时间问题。 今天,我们已经有了性能非常好的机械钟,每天的误差大约只有零点几秒。
然而,在 20 世纪,物理学家发现了更准确地测量时间的方法,例如石英钟。
石英钟
石英就是我们所说的水晶。 这种东西如果按照标准尺寸来切割,它的振动就会非常固定,非常精确。 它有多准确? 也就是说,它可以在一秒内测量到2负15次方。 您可以通过乘以 2 乘以 2 乘以 2 乘以 15 次来进行计算,然后将其翻转并取倒数。 在20世纪,石英钟是极其精确的计时工具。
其实,在物理学中,还有一种更准确的计时方法,那就是利用原子固有的振动。 原子非常小,小于纳米。 电子在原子中高速运动,在一秒钟内可以运行多次。 一些原子,例如铯原子,在相对较低的温度下具有非常稳定的振动频率。 这样,我们就可以利用原子的振动来调节机械零件。 就像利用钟摆原理制造非常先进的机械钟一样,我们可以利用原子原理制造非常精确的原子钟。
原子钟
1967年,人类在日常生活中可以阅读的最小时间单位秒被重新定义。 第十三届国际度量衡会议将“秒”定义为“铯原子两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射振荡周期为9192631770个周期的时间”。 看似很复杂,但普通人只需要知道一秒有多长就可以了。 这为我们提供了“第二”的权威科学定义。
得益于原子钟的工作,我们人类的计时变得越来越精确。 有了原子钟,人类计时误差变得越来越小。 到20世纪末,我们的计时精度大约只有1秒/300万年。 也就是说,直到三百万年后我们才会发现,当时的时间与20世纪末的时间相差了一秒。 原子钟也是其他技术成果的基础,比如我们现在熟悉的GPS全球定位系统。 当你开车的时候,使用GPS导航,时间会非常准确,因为如果时间稍微不准确,你就可能被带进沟里。
随着计时技术的发展,迄今为止,人类的计时误差仅为1秒/3亿年。 这是时间准确性的又一巨大进步。 而如此精准的仪器,就是世人所说的冷原子喷泉钟。 它利用激光冷却原子来使计时更加准确。
例如,我们都知道“天宫二号”去年进入了太空。 “天宫二号”空间实验室的一个非常重要的实验就是空间冷原子钟。 这个时钟精确到十亿分之一秒,也就是说一天的误差恐怕不会超过十亿分之一秒。
纵观历史,人类发明最原始的计时工具已经有很长一段时间了。 如今,计时工具已经有了很大的改进。 从每天一分钟甚至几分钟的误差,到几个世纪前,每天的误差只有几分钟。 秒,而现在,一天的误差只有十亿分之一秒,也就是说,几亿年、几千万年的误差只有一秒。
20世纪出现了一位伟大的天才,这个人就是爱因斯坦。 他改变了人类对科学的认识,甚至彻底颠覆了人类对世界的认识。 他对人类认识的最大改变是在时间方面。 例如,他认为时间并不是到处都一样,而是与环境和人类运动的速度有关。 举个例子,假设人类未来建造了一艘速度接近光速的宇宙飞船,然后你乘坐这艘宇宙飞船离开地球一千万年。 你还活着,因为你只过去了一年。 当你回到地球后,你发现一切都发生了巨大的变化。 以前熟悉的朋友已经不在了。 这就是所谓的时间相对论。
在一些故事中,说爱因斯坦小时候很愚蠢,这实际上是一个错误的信息。 事实上,他是一个神童,从小学习就非常好。 他不仅精于理工,还深谙文学。 无聊的古希腊语对他来说不是问题。 现在的人很少会用极大的想象力去思考问题,但小时候的爱因斯坦却总是胡思乱想。 于是,他想到了这个问题:地球运行一次4万公里,光速是每秒30万公里。 也就是说,光在一秒钟内可以绕地球转七八圈。 那么如果我跟着光在一秒内绕地球跑七八圈,我能追上光吗? 光会停止吗? 他最终得出结论:我永远追不上那光。 因为光速是宇宙中的最大速度,当你追上光速的时候,时间就会停止,就没有时间了。 一秒钟就是一辈子,一秒钟就是永远。 永远有多远? 它总是要赶上光速。 这是相对论的时代。
时间概念对于人类来说极其重要。
爱因斯坦发现,时间不仅仅是一个测量问题,我们用来测量时间的时间也会受到环境的影响。 你坐在快速的宇宙飞船上的时间与你一动不动地站在地球上的时间完全不同。 为什么? 接下来,我将用富有想象力且非常直观的方式向您解释。
他还发现并通过实验证明了光速是无法改变的。 在地球上,你们测量到光速接近每秒三十万公里。 如果你坐上火车、飞机、宇宙飞船,甚至更快的宇宙飞船,你会发现光速仍然接近每秒30万公里。 没有多样性。 因此,爱因斯坦得出结论:光速不依赖于人的意志,永远不会改变。
如果我们让手表以接近光速运行,当我们把它拉回来时,时间就会变慢。 比如说,如果这只手表以99%的光速运行,一年后,你会发现这只手表的时间只过去了几个月甚至更少,远远不到一年。 为什么? 我们可以用一个实验来解释。 假设你不用普通的手表,而是制作一个带光的手表,比如一个盒子,把灯关在里面。 灯在里面绕来绕去,时间由它运行的圈数决定。 现在想象一下让这个封闭的盒子以非常高的速度运行。 由于光速不变,盒子也在运动,对于地球上的我们来说,光实际传播的距离比盒子静止时传播的距离大得多,所以需要的时间更长。 但如果你跟随盒子,对你来说,盒子是静止的。 因此,从你的角度来看,光在盒子里传播的距离比你看到它在地球上传播的距离要短得多,所以消耗的时间也更短。 没那么长。 这就是爱因斯坦的时间相对论原理。
爱因斯坦提出了相对论,发现时间的快慢与人类运动的速度有关。 此外,爱因斯坦发现时间也与空间有关。 例如,地球上的时间速度与月球上的时间速度不同。 如果创建了一个黑洞,并且将包含时钟的盒子放置在黑洞旁边,则时钟将变得极其缓慢。 造成这种现象的原因是什么? 你可以想象一下,当光进入黑洞时,它被强大的引力牵引而无法运行。 对于黑洞外的人来说,似乎光跑得很慢,但是光的速度是永恒的,即使在黑洞的边缘,光仍然跑得那么快。 所以如果你在黑洞旁边放一个盒子,黑洞外面的人会感觉光跑得很慢,盒子里的时钟也跑得很慢。 也许它只移动了一秒钟,但地球已经过去了一个世纪; 但如果你站在黑洞旁边观察,你会发现盒子里的时钟仍然以正常的速度运转。
换句话说,时间和空间是密切相关的。 《星际穿越》中有一个非常美丽的场景。 一群人跑到黑洞边缘去探测一颗行星,留下了远处一艘宇宙飞船上的同伴。 几个小时后,他们回到飞船,发现同伴已经变得很老了。 原来,对于他们来说,仅仅过去了几个小时,但对于这个同伴来说,却已经过去了二十年。 同伴说:“我等了你二十年了,我还在解我的引力方程,还没解出来。可我已经老了,你怎么还这么年轻呢?” 现在我们知道,正是黑洞让这些人的时间变慢了,对他们来说只过了几个小时。
如果有一天我们真的创造了一个黑洞,你想进行时间旅行,比如看看一千年后会是什么样子,你可以去黑洞呆一会儿然后再回来。 原来住的地方已经过去了。 一千年过去了,你却好像什么都没发生,你还很年轻。
本文节选自李淼《宇宙生命》第五课:关于时间的一切
科学家的问答
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