對時間的正確認識

對時間的正確認識蘇州大學物理系老校友朱德生時間，是人們在日常生活中經(jīng)常遇到的問題。時間是什么？一般人是將時間與“天”聯(lián)系起來的，最通俗的說法是，太陽早晨從東方升起，傍晚由西方下落，至次日再升起，就是一天。而科學的說法是，地球繞自身旋轉(zhuǎn)一周的時間就是一天。而一天的二十四分之一，就是1小時。1小時的六十分之一為1分，1分的六十分之一為1秒。地球繞太陽公轉(zhuǎn)一周，稱為一年。1年與1天的關系是，1年-365.25日。這種對時間的理解，是一般人對時間概念的認識。在國際上，為統(tǒng)一全世界人們對時間的認識，在1960年以前，由國際計量大會（CIPM）確定的：1秒為平均太陽日的1/86400.即1Second（秒）=1/86400MeanSolarday（平均太陽日）.隨著科學技術的發(fā)展，現(xiàn)在已將1秒精確定義為，銫133原子基態(tài)的兩個超精細能級間躍遷，對應的9.192.631.770個振蕩周期的時間。時間究竟是什么？經(jīng)典物理學認為，時間和空間是記錄物體運動狀態(tài)（位置、速度和加速度）的物理量。若能夠測定一個物體在某一時間間隔內(nèi)，所在空間的位置變化狀況，則就能利用物理學知識，確定它在某一位置的速度和加速度，以及它以后的運動規(guī)律。所以，時間是物理學中一個極其重要的物理量在具體的演算中，物體所在的空間，用x、y、z三個直角坐標，或r,9,中三個極坐標表示.而物體運動的時間，則用，表示。在物理學上，還將空間的三個坐標稱為三維，而將時間稱為第四維。經(jīng)典物理學認為，物體在三維空間中所占有的體積的大小，以及在空間中運動所用的時間的長短，都是絕對的，它們不隨物體的運動速度變化的而變化。后來，愛因斯坦(Einstein)根據(jù)實驗事實，提出的狹義相對論認為，物體在三維空向中所占有體積的大小，以及在空間中運動所用的時間的長短，都是相對的，它們會隨物體的運動速度而發(fā)生變化。為了說明狹義相對論關于時間隨物體的運動速度變化的論述，在地球上建立直角坐標系、，相應的坐標軸為x,y,z.運動物體以速度。，沿x軸向,背離或向著，系的坐標原點運動.與運動物體相連的坐標系S*,它的坐標軸X*,y*,z*與x,y,z兩兩相互平行.由狹義相對論可得出的地球上的時間間隔Z=氣-\與建立在運動物體上的坐標系s*中時鐘記錄的時間At*=t*-1*是不一樣的。地球上時鐘的讀數(shù)：At=t*-11，與運動物體一起運動的時鐘的讀數(shù)：At*=t*-1*的關系為At=At*/Z 或21 "2c*At*=1-u2/'At。由上式知道，同運動物體一起運動的時鐘記錄的時間，要比靜止在地球上的時鐘記錄的時間要少。也就是說，在地球上的人過了一天，在運動物體上的人，只過了幾小時，甚至只有幾分鐘。運動物體的速度U越大，運動物體上的人，過的時間更短。這就是狹義相對論得出的結(jié)果，也是人類對時間首次有了較為正碓的認識。愛因斯坦提出廣義相對論后發(fā)現(xiàn)，時間還受引力作用的影響。人類生活的地球，處于茫茫的宇宙中，地球上的人到宇宙中航行時，會受行宇宙中星體的引力作用。與宇宙飛船一起運動的時鐘，由于引力的作用，它記錄的時間，或在宇宙飛船上的人感覺的時間，要比地球上記錄的時間，或地球上的人感覺的時間要短得多。關于這個問題，應用愛因斯坦的廣義相對論的場方程，可以計算出來。設宇宙飛船以速度。，向質(zhì)量為M的星體運動，在地球上的觀測者認為，宇宙飛船已經(jīng)運動了很長時間Ar，而在宇宙飛船上的人感覺到的時間，或宇宙飛船上的時鐘記錄的時間&為At=c!(1-2GM)[1-(1-2GM)一2己]AtN c2r c2r c2顯然At<At。即宇宙飛船經(jīng)歷的時間，要比地球上經(jīng)歷的時間短。引力作用會影響時間的快慢，最有說服的例子是黑洞。黑洞因自身強大的引力作用，它會不斷吸收它周圍的宇宙物質(zhì)。但這個黑洞的物理現(xiàn)象，以及它形成的物理機制，一開始就受到人們的質(zhì)疑。這因為，在地球上的觀測者，觀測到黑洞吸收它周圍的宇宙物質(zhì)的時間，是一個無限長的過程。關于這點，可應用愛因斯坦的廣義相對論的場方程，和物體在引力場中的運動方程，可計算出黑洞周圍物質(zhì)被黑洞吸引進黑洞的時間。地球上觀測者觀測到的時間t為t=-理log（r-理）+常數(shù)c2 c2式中，,是黑洞的臨界半徑（即恒星演化成黑洞應滿足的半徑），M黑洞的質(zhì)量。從上式知，當rT￥，tT8，即，在地球上觀測到的黑洞周圍的物質(zhì)，被黑洞吸進黑洞，或運動物體運動到黑洞的臨界半徑％=^GM的時間是無窮大。正因為如此，在上世紀當一些科學家提出黑洞理論時，會遭到許多人的質(zhì)疑。認為宇宙中根本不存在黑洞。后來，進一步研究發(fā)現(xiàn)，與運動物體一起運動的時鐘記錄的時間不是無限的，而是有限的。設運動物體運動到黑洞的臨界半徑r的時間為c，通過計算可得： ^=-c[k2-（1-2GM）]-2TOC\o"1-5"\h\zdr c2r由上式知，當運動物體離M的距離r趨近至r0=理時，0 c2dc c. . dcdr趨近至-k（r隨時間c增長變小，故詼＜0，為負值）。艮Pc被黑洞吸引的物質(zhì)，到達黑洞表面的時間為cQkr0。所以，與運動物體一起運動的觀測者，他測得的時間匚是有限的。由此可知，某些恒星演化黑洞后，由于它的強大的引力，它能不斷的吸收它周圍的宇宙中的物質(zhì)。由此也可證明宇宙中確實能存在黑洞?，F(xiàn)在，宇宙學家已經(jīng)在宇宙中拍攝到黑洞的照片，再次證明宇宙中存在黑洞。理論也證明，恒星只要滿足特定的條件：七羿（二為恒星演化收縮到最后的半經(jīng)，"為恒星的質(zhì)U量），恒星最后就會塌縮成黑洞。引力場的引力作用，本質(zhì)上是引力場將它周圍的時空，扭曲成曲率極大的時空。因而，如果某些物體進入了曲率極大的時空，與這些物體相連的時鐘就會走慢，記錄的時間會比地球上記錄的時間要少得多。我國古代的神話故事里，常有天上方一日，地上已數(shù)年之說，從現(xiàn)代的科學觀點來看，是有道理的。曾經(jīng)有過報導，說是一架1955年7月2日從紐約起飛的客機，經(jīng)過35年才降落在委內(nèi)瑞拉某一機場。飛機上的人卻認為，才經(jīng)歷了幾個小時，而且仍與上飛機時一樣年輕，而地球上的人卻已過去35年，他們的親人也都已老了。這飛機及上面的人，為什么會這樣？從物理學的角度來分析，是這架飛機在飛行中，誤入了時空曲率極大的時空。如何才能正確理解我們經(jīng)常遇到的時間？應該同物體的運動聯(lián)系起來。時間是與物體的運動相關的物理量，離開了物體的運動談時間，是沒有意義的。地球上的人說的時間，是以地球運動相連的時間。在宇宙中以幾乎接近光速高速飛行的宇宙飛船上的時間，或者在空間曲率極大的宇宙區(qū)域飛行的宇宙飛船上的時間，是宇宙飛船上的時間，不能同地球上的時間等同起來。它經(jīng)歷的時間，要比地球上的時間短得多。所以，將來人類乘坐寧宙飛船