时间
概述
时间是一种表示事件顺序与持续的基本概念,在物理学、哲学、生物学与文化等领域中以不同方式被定义。牛顿设想了绝对且均匀流逝的时间,但爱因斯坦的相对论表明,时间是随惯性系与引力场而变化的相对维度。在现代科学中,时间既具有熵增加这一方向性,又是以铯原子振动频率被精确定义的可测量物理量。
主要内容
物理学中的时间
经典力学与绝对时间
在牛顿力学中,时间 t 是处处以相同方式流逝的绝对背景。与伽利略的相对性原理一道,经典物理学将时间视为与空间相独立的坐标,这一观点在日常尺度上仍被用作有效的近似。
相对论
狭义相对论引入了同时性的相对性与时间膨胀。快速运动的观察者的时间流逝得更慢,这可由μ子寿命延长或双生子佯谬来说明。广义相对论预测引力越强,时间流逝得越慢;GPS卫星每天应用约38微秒的校正,以防止定位误差。
热力学与时间之箭
热力学第二定律指出,孤立系统的熵会增加,这造就了区分过去与未来的“时间之箭”。由爱丁顿命名的这一概念始于宇宙早期低熵状态,是解释微观物理定律具有时间对称性、宏观不可逆性却会出现的原因的核心主题。
量子力学与时间
薛定谔方程将时间视为外部参数。在尝试时空量子化的惠勒-德维特方程中,会出现时间变量消失的“时间问题”;类似佩奇-伍特斯时钟模型那样,将时间重新解释为系统内部相对关系的尝试仍在继续。
时间的测量
历法与钟表的历史
从日晷和水钟起步的时间测量,经由1656年惠更斯的摆钟、18世纪哈里森的航海精密计时器而日益精确。标准时与时间区体系则随着19世纪铁路与电报的发展得到整备。
原子钟与SI秒
1967年,国际单位制将秒定义为铯-133原子基态两个超精细能级之间跃迁振动频率的9,192,631,770个周期。此后出现了光晶格钟与离子钟,达到10^-18量级的精度;在2019年SI重新定义中,秒的定义也保持不变。
协调世界时与闰秒
1972年引入的协调世界时(UTC)一直通过插入闰秒来折中原子时与地球自转。然而,由于地球自转变化与计算系统的负担,2022年国际计量大会同意在2035年前废除闰秒。
哲学与心理学中的时间
奥古斯丁说:“时间是什么?若无人问我,我便知道。”并将时间解释为灵魂的伸展。麦克塔格特区分了将事件排列为过去、现在、未来的A系列,以及按先后关系排列的B系列;这引出了现在主义与永恒主义(块状宇宙)之争。心理学中,时间知觉会随注意、觉醒与情绪而扭曲,并且已有研究积累表明多巴胺与小脑参与内部时间估计。
生物学时间
生物钟以视交叉上核(SCN)为中心,协调约24小时周期的昼夜节律。2017年诺贝尔生理学或医学奖授予揭示了这一分子机制的霍尔、罗斯巴什与扬;其与睡眠、代谢及免疫功能之间的关联仍在不断被阐明。
最新动向
2024年,利用钍-229核同质异能跃迁的“核钟”首次运行,提出了超越原子钟稳定性的可能性。光晶格钟的精度提升至10^-19量级,在毫米尺度测量引力时间延迟的应用正被讨论。同年,多伦多大学研究团队报告的光子“负时间”实验引发了关于时间概念的大众争论,但更主流的反驳意见认为,这实际上是对原子介质相位响应的解读结果。另一方面,在2035年废除闰秒之前,卫星导航、金融交易与分布式系统的时间同步标准正在重新整备,基于量子网络的时间传递与时间晶体(time crystal)研究也十分活跃。
相关主题
- [[相对论]]
- [[熵]]
- [[原子钟]]
- [[协调世界时]]
- [[昼夜节律]]
- [[时间旅行]]