有人認為時間就像一根橡皮筋,而其他人認為它是間斷性的.如果時間曾經有過開端的話,那就要追溯到160億年前.讓我們一起去看看時間是什么,時間這個如此不規(guī)則的尺度是如何作用的.
時間對于住在一樓的人來說比住在頂層的人過得慢,盡管它不足以使里面的人變得長壽.要想使一個人變得年輕些,只需乘坐一架普通的飛機做一次環(huán)球旅行就可以了.這是時間效應對所有的人都相同的兩個令人難以置信的結果：時間可以延長也可以縮短,這取決于空間、重力和速度.本文將帶領讀者去探索時間這個外表看起來很親近但是又很神秘的尺度.
1.時間究竟是什么?
1000多年來,人們一直都在尋找這個問題的答案.比如,在古希臘,時間的定義問題對哲學家的困擾更甚于對數學家的困擾.在伽利略的偉大發(fā)現之后,牛頓把時間最終定義為數學上的量.但是,這位偉大的英國科學家認為,時間是一個被神秘氣息所覆蓋著的客體,因為時間獨立于任何物體,在一切之上,是絕對的.時間與圣人是如此接近,以至于上帝被比為一座鐘.
愛因斯坦認為,時間一點也不像是大自然里的一條“自由自在的狗”,而是一個實實在在的尺度.即使在今天,我們仍然不能像定義任何一個實際的事物那樣給時間下一個定義.我們可以度量時間,但不知道時間是什么,并且還把“時間”掛在墻上或者帶在手腕上.根據愛因斯坦的相對論,我們知道時間可以延長或是縮短.這就是物理學家為什么把時間簡單地用作確立事件的序列,并且用時間標記它們.比如人的生日或食品的保質期等.
2.時間是像河流一樣流動還是有間斷的接替?
不幸的是,沒有一種理論或者是一項實驗能夠證實時間是以連續(xù)的方式流動還是像一部電影里的每格畫面,給人一種連續(xù)的印象,即有間斷的接替.對時間的連續(xù)性或間斷性的研究還涉及到另外一個問題,即時間到底有沒有開端.對此,至今還沒有確切的答案.因為著名的大爆炸理論認為時間—空間有一個開始；而另外的一些科學家則指出,“時間”尺度沒有一個瞬間的開始,這是不必要的.這樣事情就復雜了.因為根據量子力學的原理,比所謂的普朗克時間(Planck Time)小的時間間隔是不可探知的.普朗克時間單位在 秒數量級.所以在一個非常短的時間內是不可能計算出新生的宇宙狀態(tài)的.總之,就現在的理論來看,有關宇宙的第一聲啼哭將永遠是個未知數.
現在我們回到時間的“連貫性”上來.奇怪的是它能夠以連續(xù)或間斷的方式流動,但最小的、可計算的時間間隔則與“普朗克時間”一樣.總之,時間是一條連續(xù)的帶子,而物理學家把它當作一條環(huán)環(huán)相扣的、不連續(xù)的項鏈.
幾年前,科學家大衛(wèi)·芬克勒斯坦因(David Finkelstein)曾經提出過一種理論,但是沒有在科學界獲得很大的支持.這位物理學家假設時間原子存在.這些時間原子可能表現出了它們的間斷性.
3.對于所有人來說,時間是以同一種方式流逝嗎?
愛因斯坦的理論表明答案是否定的.實際上同空間一樣,時間也是相對的.相對是什么意思呢?即為了完整地而不是模棱兩可地描述一個事件,那么這個事件就應該被放在一個參照系里.例如,如果我與某人在路的盡頭約會,那么“盡頭”對另外一個人來說可能恰好是路的開端.如果我加上“在路盡頭后面的廣場”,那么這個“約會事件”就準確了.帶有時間因素的事情也是如此.如果我說10年過去了,那么我就必須指出,是與哪個參照系相比過去了10年.很明顯,在每天的生活里沒有必要拘泥于細節(jié).但是誰又知道將來我們會不會組織星際旅行或者與外星人交流呢?到那時,時間間隔就不再這么簡單了,就會感到時間的相對性了.
一個有名的例子能夠解釋這一切.阿爾法(Alfa )和貝塔(Beta)是一對30歲的孿生兄弟,都是宇航員.2000年,貝塔開始乘坐速度為每秒24萬公里的太空飛船向距離地球8光年的一個星球進發(fā).以這種速度,貝塔來回單程各需要10年時間.事實是為了達到所要的平均速度,貝塔需要加快速度,而在到達目的地時還要減速.因為他們兩個的參照系不再相同,只需改變運動方向我們就可以把阿爾法和貝塔的時間分離開來.當貝塔在2020年回到地球上來時,將看到阿爾法慶祝50歲(老了20年)生日,而這時對他自己來說才剛剛過了12年,他才只有42歲.這不是一個智力測驗.時間的伸縮已經被真實的表所測量到.1971年,美國華盛頓大學的哈費勒(J.C. Hafele)和美國海軍天文臺的理查德·基廷(Richard Keating)兩位物理學家作了環(huán)球旅行,并且測量了飛機上的4座原子鐘.飛機的速度無法和光的速度相比(相差幾百萬倍).但是科學家們卻證實捕捉到了時間的伸縮性：在旅行結束時,飛機上的鐘表指示與地面上的鐘表相比晚了59納秒.另外,高度也影響時間的流逝,愛因斯坦的理論表明由于重力的原因,時間離地面越近流逝得就越慢.實際上,在地下室里,時間流逝得要比在樓房頂層慢.有人曾經計算過,在人的一生中,如果是住在一層的話,可以多活一微秒,當然,這對長壽來講太微不足道了.
4.如果時間是一個尺度,那么為什么不能像在空間中一樣前進和后退呢?
在將來和過去的時間中旅行都屬于科學幻想.正如奧地利數學家?guī)鞝柼亍じ璧聽?Kurt Godel)在1949年所證實的一樣,在過去的時間里旅行是不被物理學的法則所禁止的, 然而條件是非常特殊的：宇宙要能夠轉動(這在現實中是不可能發(fā)生的),并且時間的追求者必須以大于光速71%的速度移 動.總之,菜譜是有了,但是沒有配料.正如物理學家斯蒂芬·霍金所認為的那樣,這可能是自然保護自己的一種方式,同時阻止時間旅行就會避免可能帶來的悖論,例如會和自己相遇或者是改變歷史一類的現象.
5.黑洞是否真的是時間機器呢?
黑洞所提供的可能性之一是,在通過了一個時空隧道后落入它們之中,并且重新出現在過去.隧道是什么?有各種各樣的假設,從抗重力到對映世界,再到宇宙更替.雖然假設眾多,但沒有一個是可行的.只需想一想黑洞超強的引力就夠了：時間就像一根皮筋,最后被拉長,而在這種情況下要想活著出來是毫無希望的.時間是一個永久的話題,人們仍在不斷地探索和嘗試其他的方法.