物理論文時(shí)間之迷.ppt

時(shí)間之迷 地球是不能信賴的時(shí)鐘 必須承認(rèn) 把地球作為測(cè)量時(shí)間的儀器是不可靠 20世紀(jì)初 天文學(xué)家就覺察到這個(gè)問題 但出于天文觀測(cè)的需要 采用了 歷書時(shí) 的概念 于1960年起作為世界各國(guó)的基本時(shí)間計(jì)量系統(tǒng) 歷書時(shí)從1900年1月0日12時(shí)開始計(jì)算 定義一秒鐘為那一年太陽(yáng)由相對(duì)較遠(yuǎn)恒星回到起點(diǎn)的一個(gè)回歸年的1 31556925 97474 其實(shí) 太陽(yáng)也是個(gè)有爭(zhēng)議的時(shí)鐘 因?yàn)楫?dāng)?shù)厍蚋咏咏?yáng)時(shí) 太陽(yáng)相對(duì)背景恒星的視在運(yùn)動(dòng)加快 這就是產(chǎn)生 平均太陽(yáng)時(shí) 想法的原因 是通過虛擬的太陽(yáng)設(shè)定出來的 虛擬太陽(yáng)的視在運(yùn)動(dòng)是以勻速沿地球赤道線運(yùn)行的 這樣就決定稱它為 民用時(shí) 即平均太陽(yáng)時(shí)一天的長(zhǎng)度 但這對(duì)天文學(xué)家來說還不夠 他們使用的是 恒星日 即地球相對(duì)于遙遠(yuǎn)恒星自轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間 所有這一切都是關(guān)于時(shí)間的測(cè)量 然而幾個(gè)世紀(jì)前科學(xué)家就開始提問 時(shí)間是否與宇宙的物質(zhì)有聯(lián)系 它本身是不是一個(gè)單獨(dú)的實(shí)體 這種想法刺激了艾薩克 牛頓 他問道 如果所有時(shí)鐘消失了 之后所有物質(zhì)也消失了 在空間什么也沒有留下 既無地球也無太陽(yáng) 連最小的粒子也沒有了 那時(shí)還有時(shí)間嗎 而他的回答是 絕對(duì)時(shí) 本身是真實(shí)的 數(shù)學(xué)的 就其性質(zhì)講它與外界事物無關(guān)地 均勻地流逝 相對(duì)時(shí) 是一個(gè)表面的 通俗的量度 精確或不精確 一般用來代替絕對(duì)時(shí)間的量度 這就是時(shí) 日月 年 在經(jīng)典力學(xué)中 需要絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間一起來確定物體的位置和速度 時(shí)間沒有起點(diǎn) 但它一直存在 時(shí)間沒有開始也沒有終結(jié)嗎 在宇宙事件的流逝中從來就沒有一個(gè)起點(diǎn) 這些事件中的一部分已經(jīng)被證實(shí) 另一部分僅僅是理論物理學(xué)家的假設(shè) 這些事件也不會(huì)有終結(jié)嗎 愛因斯坦在科學(xué)界發(fā)起的革命開始與牛頓創(chuàng)立的曾為科學(xué)界廣泛使用的 絕對(duì)時(shí)間 和 絕對(duì)空間 的概念分道揚(yáng)鑣了 這場(chǎng)革命更確切地說是對(duì)于宇宙命運(yùn)的一種新見解 如果宇宙繼續(xù)無限地膨脹下去 開放的宇宙 那么時(shí)間將永遠(yuǎn)不會(huì)終結(jié) 相反 如果宇宙在某個(gè)時(shí)候停止了膨脹 開始發(fā)生逆轉(zhuǎn) 越來越收縮 封閉宇宙 直至回到什么也沒有的狀態(tài) 那么時(shí)間也就不復(fù)存在了 但時(shí)間是從什么時(shí)候開始的呢 根據(jù)最新的假設(shè) 在大爆炸前已經(jīng)存在許多小宇宙 它們從 無 這種物態(tài)開始形成和消失 在這種物態(tài)中既無時(shí)間 空間 也無物質(zhì) 由于有了稱為波動(dòng)的量子現(xiàn)象才使這些宇宙得以形成 我們的宇宙也許不會(huì)消失 因?yàn)樗€剛剛誕生 由于擴(kuò)張得特別快和特別強(qiáng)勁 故取名為膨脹 或日宇宙超級(jí)擴(kuò)張 它或許是在無節(jié)制地長(zhǎng)大之后才發(fā)生了大爆炸 因此時(shí)間或許應(yīng)先于大爆炸 它的起點(diǎn)或許應(yīng)追溯到從無到膨脹的過渡期內(nèi) 諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者伊利亞 普里戈金 IlyaPrigogine 還談到 一個(gè)潛在時(shí)間 它總是處于休眠狀態(tài) 并不要求波動(dòng)現(xiàn)象喚醒它而變?yōu)楝F(xiàn)實(shí) 從這個(gè)意義上講 時(shí)間不與我們的宇宙同時(shí)產(chǎn)生 而是早就存在的 光很美 因?yàn)樗蛔兓?在1907年 物理學(xué)家艾伯特 邁克耳孫 AlbertMichelson 1852 1931 因?yàn)?光速的準(zhǔn)確測(cè)定 而幸運(yùn)地成為第一個(gè)獲得諾貝爾獎(jiǎng)的美國(guó)人 隨后愛因斯坦在向他致賀時(shí)說道 通過您杰出的實(shí)驗(yàn)工作 您已經(jīng)為相對(duì)論理論的發(fā)展開辟了道路 他究竟做了什么大事呢 從1887年起 他與他的同事愛德華 莫雷 簡(jiǎn)單地 證實(shí)了光速是永遠(yuǎn)不變的 即使由一個(gè)物體在運(yùn)動(dòng)中 發(fā)射 的光 其速度也是不變的 當(dāng)時(shí)人們的意識(shí)還停留在絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)間的概念上 在此基礎(chǔ)上 當(dāng)追蹤某種速度的光線時(shí) 人們看到光線行進(jìn)得應(yīng)該慢一些 就像我們?cè)谏钪兴姷降哪菢?如果我們坐汽車旅行 時(shí)速100公里 并追蹤在同一方向以時(shí)速200公里行駛的火車 就會(huì)感到火車的時(shí)速好像僅為100公里 在邁克耳孫和莫雷實(shí)驗(yàn)的推動(dòng)下 愛因斯坦開始修正時(shí)間的概念 開導(dǎo)致他于1905年提出狹義相對(duì)論的理論 一方面是光速的不變性 另一方面有距離的作用 事實(shí)上 這兩個(gè)同時(shí)發(fā)生的事件 對(duì)于兩個(gè)處在不同位置的觀察者來說 感覺它們是在不同時(shí)間發(fā)生的 這就是為什么光傳遞的信息需用一定的時(shí)間才能到達(dá)目的地 為了弄清這一概念 我們同以設(shè)想兩個(gè)宇航員 一個(gè)在空間站 另一個(gè)在附近的行星上 他們仔細(xì)觀看由空間站中心點(diǎn)發(fā)出的光 不管這種光的方向是與空間站運(yùn)動(dòng)的方向一致 還是相反 空間站的宇航員可以同時(shí)看到光的前部和后部 而在行星上的宇航員則是先看到后部的光 然后才看到從發(fā)射點(diǎn)向前離去的前部的光 時(shí)間過得越快 人老得越慢 隨著狹義相對(duì)論中達(dá)到頂點(diǎn)的有關(guān)時(shí)間理論的革命 時(shí)間向我們表現(xiàn)出另一種驚人的面貌 即所謂 時(shí)間膨脹 它違背普通常識(shí) 但去被不同的實(shí)驗(yàn)所證實(shí) 時(shí)間的流逝根據(jù)觀察者是靜止還是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及運(yùn)動(dòng)的速度而定 用簡(jiǎn)單的話來說 就是一個(gè)跑著的人的時(shí)間流逝得慢 他跑得越快 其時(shí)間放慢得越明顯 愛因斯坦本人也對(duì)這個(gè)論題提出著名的 雙生子佯謬 我們把它概括如下 兩個(gè)孿生兄弟在宇宙飛船發(fā)射場(chǎng)相互離別 一個(gè)留在地球上 另一個(gè)上了以光速的80 的速度飛行的宇宙飛船 過了50年 留在地球上的兄弟去迎接航天兄弟的歸來 人們會(huì)發(fā)現(xiàn)航天兄弟的面孔更年輕 事實(shí)上他只過了30年 這種現(xiàn)象在日常生活中并不明顯 因?yàn)閷?duì)乘坐時(shí)速為1000公里的噴氣機(jī)的旅行者來說 每秒只減慢萬億分之一秒 因此他大約要旅行3萬年才能積累下減慢的一秒 對(duì)乘坐時(shí)速1萬公里的運(yùn)載工具一一航天飛機(jī)的宇航員來說 這并不是長(zhǎng)壽航程 因?yàn)槊棵胫粶p慢百億分之一秒 不管怎樣 科技進(jìn)步使人們可以證實(shí)時(shí)間的減慢 人們用兩個(gè)超精密度相同的原子鐘進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 一個(gè)放在陸地上 一個(gè)放在時(shí)速超過3000公里的軍用飛機(jī)或空間探測(cè)器上 實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這樣的假設(shè) 旅行過的鐘比另一個(gè)鐘走得慢 1916年 愛因斯坦擴(kuò)充了相對(duì)論原理 把地球引力置于其理論的中心 從而對(duì)時(shí)間得出了驚人的結(jié)論 引力場(chǎng)對(duì)自然鐘起減慢作用 類似我們前面所說的由運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的減慢 這就是說 不管在哪里 只要有強(qiáng)引力張力的存在 時(shí)間的消逝就會(huì)減慢 地球上的這種減慢相當(dāng)于每秒減慢十億分之一秒 時(shí)間停住了 使時(shí)間流逝減慢的引力現(xiàn)象在黑洞面前產(chǎn)生了極端的結(jié)論 黑洞這種所謂的 空中強(qiáng)盜 其實(shí)不過是比太陽(yáng)至少大3倍的大質(zhì)量的恒星演化的最后階段 由于發(fā)生引力坍縮而縮小到極小的程度 形成理論上稱為 奇點(diǎn) 的孤立點(diǎn) 如果說時(shí)間的減慢取決于光速的減慢 而光速的減慢又與引力引起的物體墜落速度有關(guān)的話 那么我們就導(dǎo)出了一個(gè)極端的結(jié)論 當(dāng)一個(gè)物體墜落速度與光速抵消時(shí) 時(shí)間就會(huì)無限地放慢 當(dāng)一個(gè)物體越接近吸引和吞沒它的質(zhì)量很大的黑洞時(shí) 射向外部的光的速度就越慢 光到達(dá)遠(yuǎn)處觀察點(diǎn)所用的時(shí)間也就越長(zhǎng) 如果我們能夠觀察一個(gè)人被黑洞吞沒的過程的話 我們就會(huì)看到 他在接近黑洞表面時(shí)速度十分緩慢 就好像停留在那里猶豫不決 永遠(yuǎn)也到不了目的地 但從這個(gè)可憐的 兇多吉少的人的視點(diǎn)來看 墜落只是一瞬間的事 在黑洞附近 時(shí)間過得特別慢 而在坍縮恒星的表面一一 視界 上 時(shí)間就停住了 黑洞的內(nèi)部呢 引力仍然極強(qiáng) 強(qiáng)到能阻止光的逃逸 對(duì)其他物體更不必說了 因?yàn)椴淮嬖诒裙馑倏斓奈矬w 所有掉進(jìn)去的東西被留住并在一個(gè)狹小的空間內(nèi)消失 這個(gè)空間被命名為 奇點(diǎn) 在奇點(diǎn)里 物質(zhì)可能消失或變成認(rèn)不出來的樣子 在那里也不存在空間和時(shí)間 特別對(duì)在黑洞外部觀察的人來說 內(nèi)部時(shí)間顯確顯示出同外部時(shí)間是分開的 這種區(qū)分發(fā)生在視界時(shí)間停住的時(shí)刻 但是 在深入揭開奇點(diǎn)深?yuàn)W的謎團(tuán)之前 發(fā)生了科學(xué)家們稱為 時(shí)空倒置 的謎 讓我們來看一下 在黑洞外面 空間可向任何方向擴(kuò)張 相反 時(shí)間只能走向未來 而在黑洞內(nèi)部 空間只能走向中央奇點(diǎn) 明天 今天 昨天 時(shí)間向哪個(gè)方向走 這個(gè)提問把問題搞復(fù)雜了 例如我們問 為什么時(shí)間總好像從過去向未來流逝 人們不知道這種進(jìn)程是物理現(xiàn)實(shí)的客觀情況還是一種頭腦中的構(gòu)思 這是一些2000多年前就提出過的問題 但在上世紀(jì)對(duì)不可逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象 即不可能發(fā)生相反的現(xiàn)象 的研究 才科學(xué)地說明了這些問題 熱能就是一個(gè)例子 溫度高的物體上的能量自然地傳遞到溫度低的物體上 但不能倒過來 如果我們?cè)谘b烈酒的杯子里放些冰塊 較熱的烈酒把它的熱能傳遞給冰塊 冰塊融化直到杯子里的東西達(dá)到相同的溫度 相反 冰塊不可能把熱能傳遞給烈酒 使冰塊更冷而烈酒更熱 由于熱是能量 在這類現(xiàn)象中能量是遞降的 利用價(jià)值會(huì)變得越來越小 例如 當(dāng)我們剎車時(shí)車的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱 制動(dòng)器變熱 但不能發(fā)生相反的情況 即使加熱制動(dòng)器 也不可能風(fēng)到汽車會(huì)自行開起來 這些定律證實(shí)某些自然現(xiàn)象的不可逆轉(zhuǎn)性 并用一個(gè)叫 時(shí)間之箭 的示意詞指明時(shí)間的精確方向 而另一些物理現(xiàn)象是可以逆轉(zhuǎn)的 例如液體可以變成固體 如果改變溫度又可以回到液體 如何解釋既存在著可逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象 其中時(shí)間似乎可前進(jìn)和后退 又存在著不可逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象 其中時(shí)間只能從過去走向未來 的這種共處局面呢 奧地利物理學(xué)家路德維格 波爾茲曼 LudwigBoltzmann 1844 1906 假設(shè) 在無限小世界中發(fā)生的過程