第三章 时间

皇家天文台台长的时间

我有时想,听听英国天文台台长和柏格森教授之间关于时间本质的论争,倒是非常有趣的。柏格森教授是这问题上的著名权威,而且我可以提醒你们,英国天文台台长的工作职责就是找出我们日常使用的时间,所以推测起来,他对时间必然有自己的观点。我得说这场论争是在差不多20年前,是在爱因斯坦的观念的传播带来和解之前的事。当时两人的意见可能非常冲突,我更愿设想哲学家在言辞论争上要更占优势。在指出英国天文台台长的时间观念是极其荒谬的之后,柏格森教授便注意着他的表,匆匆忙忙地赶上一列按照英国天文台台长给出的时刻运行的火车,如此便结束了论争。

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不管是否是正确的时间,但英国天文台台长的时间是事实上的时间,他的时间渗透到物理学的每一个角落。它无须逻辑辩护,它处在一个法定权力的更强大的地位,它已被编织到古典物理学体系的构造之中,在物理学上“时间”就是英国天文台台长的时间。你们可能知道,在爱因斯坦的理论里,时间和空间是以极为奇异的方式混为一体的,这一点已显示给大家了。对于初学者而言这是一个绊脚石,他倾向于这样说:“那是不可能的,我本能地感觉到时间和空间必然是性质完全不同的东西,它们不可能混为一体。”英国天文台台长得意地回击道:“这并不是不可能,我已经混合过它们了。”好啦,就此打住。如果英国天文台台长已经混合了时间和空间,那他的混合物便是现今物理学的基石。

我们不得不区别两个全然不同的问题。第一,时间的真实本质是什么?第二,那些以时间之名成为古典物理学结构基础部分的物理量其本质是什么?经过长久的实验和理论发展,物理研究的结果已形成体系,该体系被证明大体上是非常成功的。时间——英国天文台台长的时间,其重要性在于它是该体系的组成要素,是该体系的黏合剂或灰浆这一事实。如果它被证明它是我们意识里所熟悉的时间,不完美但唯一的代表,它的重要性依然不会减弱,因此我们首先讨论第二个问题。

但是我要补充一下,爱因斯坦的理论,已经把第二个问题弄清了,而且已经发现,物理学的时间是不协调地与空间相混合的,所以也能够过渡到第一个问题。在相对论物理之前,有一个尚未认识的物理量,能够更直接地表示意识所知道的时间,这就是本征时间(原时)或时间间隔,它与固有空间截然分开并不相似。你们根据常识对于时间和空间混合的反驳是我期望鼓励的一种感情,时间和空间应该是分离的。把持续着的世界作为一个三维空间,沿时间从一个瞬间跳到下一个瞬间的表现形式,是一个分离时间和空间不成功的尝试。请随我回到原初(纯洁)的四维世界,在那里我们将根据一个把时间和空间完全区别的计划来重新刻画这个世界,然后我们把几乎忘了的意识时间复活,发现在自然的绝对体系中它具有可喜的重要性。

让我们试着理解,为什么物理学上的时间与直接感受到的时间有偏差。我们很快要得到关于时间的某种结论,并把这种结论都看作公理,尽管那些结论实际上并未得到在我们对时间的直接感受上的任何事物的验证,这里就是其中一个例子。

如果两个人相遇两次,那么他们在两次相遇之间必然生活在同一段时间里,即使其中一人旅行到了宇宙很远的部分并在其间归来。

你们可以这样说,这是一个滑稽的不可能的实验。确实如此,它超越了一切经验,因此,当你们反对否认上面叙述的理论时,我可否这样说,你们不是也求助于你们的时间经验吗?如果这问题依然需要急着回答,大多数人将会不耐烦地答复说以上叙述当然是真实的。他们已经形成了这样一个时间概念,即时间滚滚向前与我们毫无关系,由此上述说法看来是必然的。他们并不会问他们自己,这个结论究竟在他们实际的时间经验中是否为任何事物所确认过。

虽然我们不能尝试这种实验,把一个人送到宇宙的另一部分,但我们有充足的科学知识,计算静止的人体和高速运动的人体中的原子及其他物理过程的变化。我们能够肯定地说,旅行者身体里的物理过程要比静止的人的身体相应的物理过程要慢得多(即根据英国天文台台长的时间要慢得多)。这并非特别神奇,理论和实验两方面早就知道物质的质量和惯性随着速度的增加而增加,惯性愈大的自然结果就是变化变缓。对身体变化而言,快速运动的旅行者生活变缓慢了他的消化及疲劳周期、他的肌肉对其的反应速度、他的身体由少到老的变化、他的大脑里或多或少与思想和感情同步的物质过程、在他大衣袋内嘀嗒作响的手表,等等,所有这些都以相同的速度变慢了。如果旅行的速度极大,我们可能发现尽管坐在家里的那个人已经老了70岁了,而旅行者才变老了1年,他仅仅吃过350次早餐、午餐等。他的智慧,受阻于缓慢转动的大脑,仅相当于地球上生活1年的思考量,他的手表提供更准确和科学的计算,也确证了这一点。(我们的)意识试图按照自己的粗略方式来测量时间,按照这个时间来判断——我重申,这是唯一一个我们有权期望从空间区别开来的时间计量,那两个人两次相遇之间并未生活在相同的时间里。

对于意识所估计的时间参考被时间计量的不稳定这一事实搞复杂了,“我要告诉你们,你慢时间也慢,你快时间也快,你疾驰时间也疾驰,你静止时间也静止”。我并没有提到这些主观的变化。我并不愿意引出这样一个不满意的计时器,我唯一要做的是应对那些告诉我“本能的感觉”时间的批评者。我要对他指出,那种感觉的基础是历经的时间,正如我们刚刚看见的,在他们两次相遇之间,一个人可能生活了70年,而另外的人可能只生活了1年。我们来完全科学地规定“历经时间”,即随所关注的旅行者一道旅行,并分享与速度有关他的惯性变化的表示时间。但是普遍采用“历经时间”存在明显的障碍,对每一个人而言,拥有与其生命精确地成正比的私人时间很有用,但如果对约会的话就极其不方便了,因此英国天文台台长采用了完全不严格遵循历经时间的普遍计时法。根据这一点,时间的流逝并不依赖于所考察的物体在这一段时间里如何运动。我承认这种计时法对于我们归来的旅行者是有点困难,按照这一计时法,虽然从所有方面来看,他都还是10来岁的小青年,却要把他当作一个八旬老人。但为满足公共利益,必要的牺牲是必须的。实际上我们没处理过以任何高速旅行的人,但我们必须处理以惊人高速运行的原子和电子,所以普遍计时法和个人计时法之间的问题是很实际的。

所以在物理学的时间(即英国天文台台长的时间)上,认定两人在两次相遇之间都历经相同的时间,无论是否根据他们的实际经验,出于时间历经不同而导致的结果偏离是由于时间和空间的混合。当然了,如果我们坚持硬性直接经验的时间的话,时间和空间的混合就不可能发生物理学时间同空间一样,也是一种体系,是我们把客观世界在其中定位的体系。现在我们来考察实践上如何在空间和时间体系里定位客观世界,我们已知道这些体系的选择是无限的所以,我将直截了当地告诉你,我是如何在我的体系之中定位这些事件的。

在图1里,你们看见圆圈所表示的事件的集合,现在,它们不在正确的位置上,摆在我面前的任务,就是把它们安置在我的时间和空间体系里的适当的位置。在它们中间,我能够立刻认识和标记“此地—此刻”事件,即此刻这间屋子里正发生的事情。其他的事件不同程度地远离(此地-此刻)事件——但我很明白,这些远离不光程度不同,种类也会不同,有些事件朝着我一般称之为过去的方向扩展,我也能够预料在未来很远的其他事件。还有其它类型的事件,朝着中国或秘鲁,或朝着一般性的说法称为“其他地方”的很远的地方。在这个图上,只够给出“其他地方”一个维度的地方,另外的一个维度垂直伸出纸面。你们也必须尽力想象第三个维度。

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图1 事件的位置

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图2

现在我们必须从这个模糊的位置图像转到精确的图像。第一件也最重要的事情是把我自己放到图里,虽然这听起来很自负,但是,请看,这是所要被采用的我的空间体系,因此它完全依附于我。在此我是一种四维蠕虫(图2)。这种描述很准确,对过去我有很大的延展,对未来也可假定有很大的延展,而对于“其他地方”却只有有限的延展。“瞬间的我”,即在这一瞬间的我本身,就是“此地—此刻”事件。从此地此刻来考察世界,我能看见正发生着的许多其他事件,这样进入我脑海里的是:我在此地意识到的那一瞬间,必须加以扩展把它们包括在内。我便很快得到结论,即现在并不限于“此地—此刻”。因此,我拽着“现在”这个瞬间就像一个清晰的断面一样穿过事件的世界疾驰,以便适应现在所发生的所有遥远的事件。我选择我看见现在正在发生的事件,把它们放在断面上,我把这个断面称为时间的一刻或者一个“世界的瞬时状态”。我把它们放置在现在,原因在于它们看起来是现在。

这种定位方法一直持续到1667年,直到发现它不可能协调一致地工作了。其后天文学家罗默发现,在现在所看见的不能放在现在这一刻(按照一般的说法——光的旅行需要时间)。那真是对世界的瞬间体系是一个打击,而瞬间就是特别造出来适应这些事件的。我们曾经把两种不同的事件搞混了:第一种是客观世界某处的原始事件,第二个是我们对第一种事件所看到的事件。第二种事件对我们而言就是“此地—此刻”,第一种事件既不在此地,也不在此刻。经验照例不能给出不在“此地”的“现在”的解释。我们最好能把我们对“现在”而不是“此地—现在”的直觉认识的观点抛弃,这种观念是假定世界范围内瞬间“现在”的最初理由。

但是,在熟悉了世界范围的瞬间后,物理学家们并不打算抛弃它们。确实,如果我们不把它们看得太严重的话,它们还是相当有用的。它们作为该图的一个特点保留下来,画在图2里的两条“现在所见”线从“现在”线向后方倾斜,现在看到的事件放在这两条线上就协调了,在“现在所见”线与“现在”线之间夹角的余切可解释成光的速度。

相应地,我在宇宙辽远的部分看见一个事件,例如一颗新星爆发,我便(很适当地)把它放置在“现在所见”线上,于是我便依据该星所测定的视差来做一些计算,将“现在”线移动到比如事件发生之前300年,这样300年前的“现在”线就与时间相遇了。通过这个方法,我跟踪我的“现在”线或者事件中的世界范围的瞬间线,由此得到客观事件的时间——位置体系,那些辅助性的“现在所见”线在完成使命后就可从图上擦除。

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图3

这就是我如何定位事件,你们怎么做?我们必须把你们放到某处。我们将假定你身处以不同速度运动,但这一瞬间在很近地方通向地球的另外一个星球上。你与我在过去相隔很远,在将来也会再次相隔很远,但是我们都位于“此地—此刻”,具体如图所示。我们从“此地—现在”来考察世界,当然了,我们两人都同时看见相同的事件。我们可能从那些事件得到极其不同的印象,我们的不同运动将引起不同的多普勒效应、不同的菲茨杰拉德收缩等。在我们意识到你所描述的是一个红色正方形,而我却描述成一个绿色长方形时,还是有轻微的误解。但是,请允许这种叙述上的差异,我们不久就清楚了我们在观察相同的事件,我们也将完全同意那些“现在所见”线相对于事件是如何放置的。从我们共同的“现在所见”线出发,下一步你必须进行计算以便在事件中画出你的“现在”线,并追踪这些线,如图3所示。

从同样的“现在所见”线出发,你怎么不照搬我的“现在”线呢?这是因为计算时必须用光速测量值的缘故,自然了,你相信你的光速测量,我相信我的光速测量,原因我们的仪器受到不同的菲茨杰拉德收缩等的影响,所以就有可能存在很多偏差。非常不可思议的是,我们都得到了相同的光速,为每秒299796千米。但这表面的一致实际上是不一致的,原因在于你们取它作为你们星球的相对速度,而我取它作为我的星球的相对速度的缘故。[1]因此,我们的计算是不一致的,你的“现在”线与我的不同。

如果我们相信我们的世界范围的瞬间或“现在”线是客观世界固有的,可能就会激烈争辩了。在我看来,你把图中右侧那些尚未发生的事件与左侧那些已经过去的事件取出来,把它们结合起来叫作宇宙的某瞬间的状态,这是可笑的。你同样也会嘲讽我的分组,我们绝不认可对方。当然了,从图来看,似乎我的瞬间比你的瞬间更自然些,但那是因为是我画的图的缘故,你自然要把你的“现在”线相对你自身画成垂直的。

但是,如果“现在”线仅是画出来穿过世界、借以方便地放置事件的参考线——如同地球上的纬线和经线一样,那么我们就不必争执了。于是,不存在画线方法对错与否的问题,我们画线是便于使用即可。世界范围的瞬间并非事件平面的自然分割,在世界的绝对构造里面没有它们的对应物,它们是我们想象出来的便于应用的一些区分。

我们已经习惯于把世界——时间上持续的世界,看作连续的瞬间状态的分层,但在另外一个星球上的观察者可能沿与我们不同的方向球运转。如果能够摒除我们心里的这层的幻影,我们将能够更为清晰地看到真实的物理世界的机制。于是所显示出来的世界,虽然它极为陌生,但实际上极为简单。在简单与熟悉之间存在差异,火腿是我们最熟悉的猪肉的形态,但对于希望了解动物功能的生物学家,未切片之前的猪肉就是一个简单的物体。