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科学普及(第一章)之时间

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1楼2012-07-31 17:37回复

    时间是什么?
    伟大的哲学家圣.奥古斯丁(St.Augustine,公元354年-430年)因为在《忏悔录》中,写出了自己对时间的困惑而出名:“时间是什么?如果没有人问我,我很清楚;可是当有人问我时,我便茫然”。不仅仅是奥古斯丁有这种困惑,直到现在,我们也经常在问:时间是什么?
      “时间”是什么呢?“时间”是一种能通过钟表来观察或测量的物理量。
      现在的科学知识告诉我们,时间、空间、物质及其运动是不可分割的;没有离开物质而独立存在的时间和空间,同样也不会有离开时间和空间而独立存在的物质及其运动,时间和空间就像质量和能量一样,是物质的基本属性。总之,“时间是什么?”这个问题还要不断问下去,科学实践也会不断地给出更深入的回答。这个过程可能像时间一样永不终结。
    


    2楼2012-07-31 17:37
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      2025-12-19 01:29:44
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      时间特质
       最早提出这个问题的古希腊哲学家亚里士多德在他的〈物理学〉中赋予时间第一个定义:“时间是位于运动前后的数”。
        时间在“流逝”??它只能以一个方向运动。当我们考虑时间的时候,即使是最笼统的方法也要按过去、现在和将来考虑。我们现在不能做过去的事情,也不能做未来的事情,只能做“现在”的事情。
        时间总在“变化”---钟只有在走动时,才有效,如果钟停了,则无法判断时间。
        时间是许多数学公式和物理函数中不可缺少的组成??它是导出大多数物理单位制的几个基本量之一,其它几个基本量是长度、温度和质量。然而,时间在某些方面又有所不同。例如:我们能辨别距离,感觉到温度和重量。但是对于时间,我们看不到它、听不到它、嗅不到它,也尝不到它,而只能通过意识,或者通过观测它的效应来理解它。


      3楼2012-07-31 17:37
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        大尺度时间
          大约五千多年以来,人类就一直在同“小时间”单位打交道,把日划分成时、分、秒,又把秒细分为毫秒、微秒、纳秒和皮秒。但是,人类同“大时间”尺度打交道,只是在不到三百年前才开始的。所谓大尺度时间,是指发生在过去很久、很遥远事件的时间。测定这些时间不能用“日”,也不能用“年”,必须用更大的单位。例如,考古学家用“千年”或“万年”为单位计算史前遗物;古生物学家和地质学家要以“百万年”为单位,分别研究人类祖先化石的年代。天文学家还使用“光年”(以光速飞行一年),来描述宇宙间星体的相互距离;
        


        4楼2012-07-31 17:37
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          时间简史
            史蒂芬•威廉•霍金(Stephen William
          Hawking,1942年1月8日?),英国著名物理学家,在公众评价中,被誉为是继爱因斯坦之后最杰出的理论物理学家之一。他提出宇宙大爆炸自奇点开始,时间由此刻开始,黑洞最终会蒸发,在对20世纪物理学的两大基础理论??爱因斯坦的相对论和普朗克的量子论的统一方面走出了重要一步。患有肌肉萎缩症的他,近乎全身瘫痪,不能发音,但1988年仍出版《时间简史》,至今已出售超过1000万册,成为全球最畅销的科普著作之一。
            在古典物理学中,一般相信时间和空间,是一个独立于自然界的概念,可以永久存在,但1915年,爱因斯坦发表广义相对论中提出,时间和空间并非绝对,不再是独立于事件的背景,人类对时间的看法出现**性的转变。
            1920年代,埃德温•哈勃利用100英寸的望远镜观天时,发现恒星并非均匀分布于整个空间,而是聚集在称为星系的集团之中。他同时发现几乎所有星系,都出现红移现象,即它们飞离我们,而星系离开我们越远,飞离的速度亦越快。这项发现带来新的问题,在更早的时候,所有星系是否离我们更近,甚至有一个宇宙的开端。
            当时科学家曾尝试解释这种现象。1948年英国学者邦迪、高尔德和霍伊尔提出的稳恒态理论,提出宇宙会穿梭于扩张和收缩两种状态,但并没有开端;俄国学者利弗席兹和哈拉尼科夫则提出,物质若没有严格对称的收缩,最终会引起反弹,而密度保持有限,这亦避免了宇宙有开端的说法。此理论提出时,霍金当时21岁,正在攻读博士学位。

            霍金当时并不相信这些学者的证明,于是联同当时已在研究奇点的彭罗斯,发展一套数学公式,证明宇宙不能反弹。该学说认为,如果广义相对论正确,宇宙起源将在存在一个奇点。当时,奇点一般被视作黑洞的中心,内里有密度无限强、引力无限重、限时空曲率无限大,霍金当时设想,若重新走回宇宙诞生之时,全部物质聚成一点,这亦即为奇点。
            1965年10月,人类发现一种散布于空间的的微波背景辐射。这些能量极度微弱,能量值远低于一台微波炉,但科学家发现,要合理解释这种辐射,宇宙早期必定非常热,随著宇宙膨胀,辐射持续冷却,最终才会有出现微波背景。这一学说,进一步确认宇宙早期曾经出现大爆炸。
            不过,霍金虽然解释了宇宙源自一个“奇点”,这些定理未能说明宇宙如何开始。霍金认为,这代表广义相对论在“奇点”中失效,该理论只能预测宇宙如何演化,未能预言它如何起始,霍金于是试图合并量子理论及广义相对论,期望能解释整个宇宙从诞生、以至演化的过程。但科学界一般认为他的研究,为人类迈向大一统理论踏出重要一步。
            作品列表
             1988年:《时间简史》(A brief History of Time)
             1993年: 《黑洞、婴儿宇宙及其他》(Black
          Holes and Baby Universes and Other Essays)
             2005年:《时间简史(普及版)》(A briefer
          History of Time)
             2001年:《果壳中的宇宙》(The Universe in a
          Nutshell)
             2002年:《在巨人的肩膊上》(On The Shoulders of Giants. The Great WoWorks of
          Physics and Astronomy)
          


          5楼2012-07-31 17:38
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            时间是怎样“开始”的?
            几种观点:
              亚里士多德的看法是:“时间没有开端”。他认为“不可能无中生有”,所以不承认有开始的瞬间。
              20世纪的爱因斯坦也认为,宇宙永远存在。起初,他根本没有考虑宇宙是从什么时候开始的问题。不过,爱因斯坦后来收回了他的这种看法。那是因为,美国的一位天文学家埃德温.哈勃(1889~1953)通过实际观测在1929年得到了宇宙正在随时间膨胀的证据。
              如果宇宙在随时间膨胀,那么,过去的宇宙就必定非常小。将时间向过去倒推,宇宙应该越来越小。倒推到137亿年前那个难以想象的久远的过去,整个宇宙就应该全部缩小集中为极其微小的一点。那一点
            被取名为“大爆炸”。那就是宇宙的开端。
              根据相对论,时间和空间密不可分,两者结合成一体而形成我们这个宇宙。只要承认大爆炸是宇宙的开始,大爆炸的同时也就应该是时间的开始。这就是现在普遍承认的一种标准宇宙论的立场。
              不过也有反对的声音。有一种假说认为,无需用大爆炸来跨过某个特别的点,在大爆炸之前也有时间在流动。
            


            6楼2012-07-31 17:38
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              时间是反复的次数
                网友读到这里大概会感到,尽管前面作了许多介绍。可是,仍然没有完全回答“时间究竟是什么”的问题。我们知道,生物学对于“生命”并没有一个明确的定义,物理学也是这样。现代物理学对于“时间”至今也没有一个明确的定义。但是,随着对时间的特性了解的越来越多,物理学家对于时间的认识毕竟在一点点地变得清晰起来。
                对于经历过的一件事情,我们常常会有这样的问题:“自那件事情以来过了多久?”,为了解决这一类问题,我们常用的办法就是观察“按照一定周期反复出现的事件”,记下那个事件“反复出现的次数”。比如说,我们记下太阳3次落山,便会知道时间过去的“3天”。经历了10次春天的到来,便知道过了10年。
                在这种意义上,可以说时间是“按照一定周期反复发生的事件重复出现的次数”。要知道时间,我们必须先从周围发生的各种各样事件中挑选出那些“反复发生的事件”。在这些反复发生的事件中,那些最靠得住、肯定会反复出现的事件,有一个专门的名称,叫做“时钟”。时钟是测量时间的标准。用直尺测量物体的长度,直尺的刻度越精细,测量越准确。同样,为了准确测量时间,用作标准的重复周期也是越短越好。
                时钟所使用的单摆(摆),晶体的振动和电磁波的振动,这些以一定周期反复发生的现象,周期一个比一个短,也就是说时钟变得越来越精确。人类使用的时钟就是这样越来越先进。
              


              7楼2012-07-31 17:38
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                时间是“事件进行的舞台”
                  现代时钟是非常准确,误差极小。但是,毕竟还有误差,而且“测量”操作本身也会给测量结果带来误差。那么,世界上难道就没有完全准确的时钟?17~18世纪的科学家牛顿认真思考了这个问题。
                  牛顿在他的《自然哲学的数学原理》一书中提出的观点是:“人们日常使用的时间尽管不准确,但是却存在着同日常使用的时间无关而始终在均匀流动着的一种‘真正的时间’”。这种理想化的时间被称为“绝对时间”。
                  关于空间,牛顿也认为存在着一种理想化的“绝对空间”。因此,牛顿的思想是:“宇宙中发生的一切事件都是在自由绝对时间和绝对空间搭建起来的一个舞台上进行的”。他正是基于这样的一种思想建立起他的“牛顿力学”,从数学上阐明了物体运动的规律。
                  舞台上无论发生什么事情,舞台本身仍然保持原样不变。这就是牛顿的绝对时间,这一点同我们在日常生活中,对时间的感受是一致的。我们无论如何也无法让时间停止、也无法让时间变慢或变快。
                


                8楼2012-07-31 17:38
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                  2025-12-19 01:23:44
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                  产生时间方向性的真正原因是什么?
                    通过前面的介绍,到这里,我们对于“时间究竟是什么?”,的问题总算有了一些答案:“时间是对反复发生的事件的计数,是正确认识物体运动必不可少的一个物理量。时间和空间一起构成了一个各种各样事件在其中展开的舞台。而且这个舞台不是不变的,会根据在其中的物质和能量的情况而发生变化。”但是,从上面这些答案,我们仍然看不到时间所具有的特点。因为,上面的这些回答漏掉了时间最大的一个特点:那就是“时间的方向性”
                    对于我们来说,被说成“现在”的这一时刻具有非常特别的意义。“现在”这一瞬间马上就成为“过去”,此前所说的“将来”则变成了新的“现在”。我们感觉时间正在一点一点地“流逝”,时间的流动肯定是有方向的。
                    时间流动的方向性绝不仅仅是存在于我们的意识中。撕破的一张图画决不可能恢复成“没有撕破的图画”。看看我们周围发生的那些随时间而变化的事物,绝大部分都是绝不会逆时间方向发生变化的。
                    时间的这种方向性,叫做“时间箭头”。玻尔兹曼用“熵(shang)增原理”来解释为什么会有“时间箭头”。
                  


                  9楼2012-07-31 17:39
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                    有待于量子引力理论来解开时间之迷
                      关于时间,目前还有许多未解之迷。比如说:在宇宙之初的“大爆炸”的中心,在那引力奇大无比,连光也不能从中逃出的“黑洞”的中心,时间又变成了什么?大爆炸和黑洞的中心是一个密度为无穷大的非常奇异的小点,叫做“奇点”。广义相对论对于这种奇点条件下的时间,什么也没有说。另一方面,量子论对于涉及强引力的现象也无能为力。
                      要想解开这些时间之迷,必须重新建立一种把广义相对论和量子论融合在一起的理论,这种新理论被称为“量子引力理论”。现在,已经有两种理论,也许有希望最终成为这样的理论。一种是“超弦理论”,另一种是“圈量子引力理论”。
                    


                    10楼2012-07-31 17:39
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                      时间的基本概念:时间是物质变化的一个过程。如果物质没有变化,时间就不存在。就算存在,它也没有任何意义。而此连续的物质变化的度量称为时间。还有人认为时间是存在于人们心中的一个概念。有些人思维多一些,那他的时间将变慢;有些人行动多一些,那他的时间将变快。说到这,有人可能会说那我们生活在同一个地球上,时间不是不平等了?错了。时间是平等的,只是先后顺序不一样。这也是为什么有些地方发展快,有些地方发展慢的原因了。  时间的价值:时间是人最大的成本,同样也是每个人的资本和财富。时间对每个人都是公平的,给每个人的一天都是二十四小时,一千四百四十分钟,从你来到这个世界的那天开始,它就陪伴着你过每一天,无论你是贫、是富、是贵、是贱、时间就从来没离开过你。


                      11楼2012-07-31 17:39
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                        时间的本原:时间的本原就是事物的存在过程。时间是所有事物皆具有的天然属性,时间是存在的表征,是过程的记录,是人们描述事物存在过程及其片段的参数。  事物的存在状态无外乎静止及运动变化,事物的运动变化既有其在空间上的位移,也有其性状的改变。时间是判别一般事物是处于静止阶段还是运动变化阶段的关键。  一般事物都有其开始的一刻,也有其结束的一刻。但至少有一个事物除外,这就是绝对空间。绝对空间的存在过程——绝对时间就无始无终。而其它事物的存在过程都可对应于绝对时间的某一部分。当然,其它事物的时间在一定条件下也可相互对应。[1]  时间是有起源的  就如宇宙也是有起源的,宇宙的产生同时伴随有时间的产生,绝对静止的物体周围是没有时间的,运动着的物体周围则有时间。我们所处的地球是运动的,它会自转,所以地球上面是有时间的,假如没有自转,那么,它也会有时间的,因为它也在公转,假如没有公转,地球上也是有时间的,太阳系是运动的,银河系乃至整个宇宙都处于运动的状态,若是整个宇宙都处于绝对的静止,那么也就不会有时间。
                        


                        12楼2012-07-31 17:39
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                          第一时空  第一时空是我们生活的时空,物理学上的第一时空概念是绝对时间,绝对空间,这种观点统治了人类几千年。直至今日,第一时空观念还在影响着人类的思维方式和哲学观点,因为第一时空世界是低速世界,几乎我们全部物理理论都是建立在‘低速世界’基础之上的,这是谁也无法改变的事实。在这一“现实”面前,物理学家们所要做的事就是把主观与“客观”的距离缩小到最小范围。


                          14楼2012-07-31 17:40
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                            第二时空  大约在一个世纪前,一位伟人---爱因斯坦开创了‘相对时空’领域,相对论认为时间和空间都不是绝对的,爱因斯坦发现对时空的描述与描述者间的相对运动状况有关,第一时空的绝对时空观念已不再适用。历经数年时间,他对第二时空做了精心的设计,把其描述成弯曲的,多维的,并向外凸起的正曲率空间。第二时空的发现是人类历史上很了不起的一件事,它告诉我们这样的事实,即在第二时空区域两端,一端为第一时空,另一端是黑洞世界(q=p/2)(详见第一章),在黑洞里所有的物理理论都将失效,这对于那些“绝对”“永恒的”观点是绝妙的讽刺。遗憾的是,第二时空的成功却使爱因斯坦深陷其中,他始终都未离开第二时空一步,直至逝世,他并没有发现时空的偏转性质,也没有意识到相对时空只是整个时空波段上很小的一部分,正象可见光是电磁波谱中很小的一段一样。当物理学界忙于用这把“万能钥匙”开启更多的时空大门,但都归于失败而不知所措的时候,第三时空理论---量子力学却逐步完善,登上了时空舞台....


                            15楼2012-07-31 17:40
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                              2025-12-19 01:17:44
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                              第四时空  近年来有关反物质,负时空的概念已逐步从科幻作品中进入到一些专业书刊中,但从理论上承认反物质、负时空和负能量等的存在还需要相当的勇气,因为在我们看来,客观存在必须是实实在在的东西,负时空概念显然与传统观念格格不入,是经典理论的禁区,但对于理论工作者来说它绝不能成为想象力的桎梏。要完成第三时空向第四时空的跨越,我们必须具备坚实的理论基础。解析时空理论以最简单的数学方式描绘了从第一时空到第四时空的全景图,它使我们从整体上了解时空体系存在的客观性作了充分的理论准备并提供了必要的理论工具。我们会发现黑洞导致测量作用产生波粒二象性和其他量子现象。如果我们期待在时空问题上有所作为的话,必须应抛弃我们原有的观念——---‘上帝总是对人类有所偏爱’。因为正负时空从整体上是相同的,只不过我们人类自认为站在哪一边罢了。


                              17楼2012-07-31 17:40
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