汪诘杂谈：时间是什么？
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这不是一个平静的年份在中国孙中山接任了新中会的会长正式登上政治舞台他后来成为中国第一个共和制总统随后义和团运动达到高潮八国联军攻入北京慈禧太后和光绪皇帝仓皇逃出北京城

而沉睡了近千年的敦煌墨高窟也在这一年被首次打开中华文明史被重新发现在欧洲尼采死了弗洛伊德发表了他的传世名著《梦的解析》巴黎正在举办世博会和第二届夏季奥运会这一切都带着创世纪的味道

4 月 27 日,此时的英国伦敦天气还有点阴冷,在阿尔伯马街上的英国皇家研究所门前,人来人往,有一位绅士彬彬有礼地扶着贵妇人上了马车,赶去听普清尼的歌剧《波西米亚人》。马车驶过之后,两位老太太望着马车远去,羡慕地讨论着刚才那个贵妇人的礼貌样式。

在两个老太太的身边,一个个穿着考究表情严肃的绅士们走进了皇家研究所的大门。老太太们不知道,这些绅士都大有来头,全是当时欧洲最有名望的科学家,他们风尘仆仆地从欧洲各国赶来参加科学大会,这在科学界是一件大事儿。

皇家研究所的主席台上站着一位白发苍苍的老者此人就是德高望重而又以顽固著称已经 76 岁高龄的凯尔文勋爵他用他那特有的爱尔兰口音开始了他的演讲

在我的眼中,我们已经取得的关于运动和力的理论是无比优美而又简洁明晰的。这些理论断言,光和热都不过是运动的某种表现方式,热是分子的运动,光是电磁波的运动。

但是我们却看到在经典物理学这片蓝天上有两朵小乌云让我们感到有些不安自从菲尼尔先生和托马斯·杨博士创立了光的波动学说以来我们一直都在苦苦寻觅一个问题的答案

那就是我们的地球是如何在以太中航行的以太这种被我们称为弹性固体的看不见摸不着的物质它存在的证据又在哪里呢这就是我要说的第一朵乌云毫无疑问凯尔韦勋爵嘴里的这第一朵乌云就是指的迈克尔逊莫雷实验不但没有能证明以太的存在反而貌似恰恰证明了以太的不存在

这第一朵乌云已经在我们耳旁隐隐地传来了雷声很快就要遮云蔽日掀起狂风大浪了此时的物理学界那已是山雨欲来风满楼了

凯尔文著名的世纪演讲的五年后时间终于走到了 1905 年或许人类文明史上再也不会出现这样的奇迹年了这一年之所以被称为奇迹年是因为有一个年仅 26 岁的瑞士专利局的小职员他在这一年中连续发表了五篇论文每篇论文都像一颗耀眼的超新星照亮了宇宙改变了人类物理学的纪元

如果我们回到 1905 年打开这位小志愿的简历你会丝毫也看不出他是被最多人公认的人类历史上第一聪明的头脑

这份简历上是这么写的姓名阿尔伯特爱因斯坦性别男国籍瑞士年龄 26 婚姻已婚职业专利局三级技术员单位瑞士伯尔尼专利局学历苏黎世联邦工业大学物理专业本科毕业爱好拉小提琴和思想实验成就没有括号没结婚就把女朋友的肚子搞大不晓得算不算

这份简历实在是太平庸了然而看上去如此平庸的青年爱因斯坦却正在思考这个宇宙中最深邃的一个问题时间到底是什么

如果我们在人类文明史中标记出几个最基本的飞跃节点的话那么 1905 年的某个时刻一定可以被镌刻在人类文明史的封碑上爱因斯坦几乎以一己之力把人类对时间的认知带上了一个新台阶现在我想请你思考一下假如有人问你时间到底是什么你会怎么回答

你在思考的同时不妨听我给你讲一下不同时代的物理学家们对时间的不同理解你也可以自我评价一下自己对时间的理解与哪个时代的人最接近汉字时间的十字最早出现在经文也就是青铜器的明文中而后在传书历书中逐渐演变成了我们今天的字形在最早的汉字甲骨文中我们目前还没有发现十字

但是我们发现了日子和晨字古人就是用它们组合起来表达时间的概念在这个时期往往只有具体某个时刻的概念还没有产生时间这样一个抽象概念我国的《易经》被称为群经之首在《易经》中就出现了很多带有十字的经文比如我们最熟悉的这一句帝是坤君子以厚德在物实乃与之天道酬勤

总体来说,在《易经》中的时一般指的是时机,后世学者给出的解释一般是这样的,时就是宇宙的自然法则和变化,时就是天时,是天定的,人无法对时产生任何影响,而机则是指人应该在合适的时候采取恰当的行动,把握住天时的变化。

我总结来说在中国的古典时期人们普遍认为时间是属于完全脱离于人类活动的宇宙变化是上天制定的无上法则

我斗胆揣摩一下,假如我有机会去问孔孟老庄这些中国先贤,请问您何谓识有没有一个明确的定义呢?我想他们大概会这么回答我,识这个概念无需定义,它是那种无法明说但人人都能自然理解的概念。

好,讲完中国,我们去看看代表西方文明起源的古希腊文明对时间的认识。亚历斯多德在《物理学》这本书中对时间有一个定义,是这样写的,时间是运动的数量,关于前后而言。

根据后世学者的解读,亚历斯多德认为时间和运动密不可分,时间并不是独立存在的实体,而是衡量运动和变化的一种方式。我们之所以会有时间这个概念,是因为我们能感受到运动和万物变化。

假如我们无法感知运动和变化那时间也就不存在了说得更通俗一点就是亚历斯多德认为时间是人的一种主观体验它依赖于人的经验而存在古希腊哲学家的思想影响了整个西方文明史

大家发现没古典时代的东西方对于什么是时间的理解其实大相径庭我们东方人认为时间是完全不依赖于人的天道而西方人认为时间不过是我们人类的主观体验是人自己创造出来的概念在这里我不想去评价东西方文明对时间理解的优劣我只想请您思考您是更倾向于哪一种观点呢

比较遗憾的是在清末现代物理学被逐步引入到我国之前中国人对时间的理解始终停留在易经的层面上并没有任何发展但西方社会进入到牛顿时代后以牛顿为代表的物理学家们对时间的定义却逐渐清晰和明确了起来

以伽利略和牛顿为代表的物理学家们建立起了经典物理学的大厦,时间 t 已经成为物理学公式中最常出现的几个变量之一。我们要知道,一旦一个概念被数学化之后,那就必须是一个清晰而明确的概念,否则就没法测量,没法测量就不能数据化,没法数据化就不可能参与运算。

牛顿给出了时间的明确概念他对时间的理解可以总结为下面这些基本要点第一时间就像是宇宙的一个基本背景独立于空间和物质而存在为所有运动提供衡量快慢的参考

第二,时间是一种连续不断的流动,不会因为任何条件而停止,这种流动性具有绝对性和永恒性。第三,时间是绝对均匀流逝的,并且可以无限细分。第四,时间是描述运动变化的一个不可或缺的物理量。

我敢说这个世界上的绝大多数现代人都会赞同牛顿对时间的以上四点理解因为这四条完全符合我们的日常经验假如听到这里你也同样赞同牛顿的时间观这非常非常的正常正因为牛顿的时间观有一种天经地义的感觉这才把爱因斯坦的不平凡给凸现出来

我有时候啊闭上眼睛会遐想到底是怎样的一种勇气和聪慧才可以让一颗人类的大脑冲破牛顿时间关这实在是太不可思议了好我们先上个小广告广告之后继续在任何惯性系中力学规律保持不变这是一条宇宙永恒的法则

你们认为这个世界上最伟大的科学家是谁伽利略建立的速度叠加法则在光的面前是无效的在惯性系中众生平等老大 真要来不及了这是全球帧率最高的镜头设备理论上能拍到光的云囊都别动这不是真实的他们是共情决斗这个是假的不是那个才是真的那个才是假的是真的这是见贼的竞猜游戏

刚才您听到的这段就是我的最新科普电影作品《寻觅自然》时间的形状的预告片的人生录音

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好,下面我们回到正片,每当专利局的工作结束后,爱因斯坦总是不急于回家,而是坐在办公室里,用自己用完的草稿纸卷起一根纸烟,点燃,深吸一口,往椅子上依靠,开始他的思考。假如我和光跑得一样快,我会看到一束相对于我而言静止的光吗?

请你想象一下,假如你现在驾驶着宇宙飞船,以光速飞行在黑漆漆的宇宙中,当你经过一个太空灯塔的瞬间,灯塔点亮,这时候你会看到什么呢?是一束和自己齐头并进的光吗?我们来看看爱因斯坦是怎么思考这个问题的。

什么是光光是一种电磁波电磁波是怎么传播的呢根据麦克斯维那组漂亮的方程组可以看出来震荡的磁场必然产生震荡的电场而震荡的电场又必然产生震荡的磁场如此循环下去就成了电磁波

那么,我是不是可以这样认为,电磁波的传播速度正是第一个震荡引起的第二个震荡的反应速度呢?嗯,没错,这就好像一队人站成一排暴速一样,听到一的人报二,听到二的人报三。光速其实就是这个暴速的传递速度,它和我们常见的小球或者火车的运动速度显然有着很大的不同。

火车从这里运动到那里那就是火车这个实体的位置从这里移动到了那里但是电磁波也就是光它的传播速度其实呢是每一个爆速的人他们的反应速度真空充当的就是这个爆速人的角色而交替变换的电磁场就是爆出去的这个数

在黑漆漆的宇宙中飞行,虽然我飞得跟光一样快,但是因为没有任何参照物,我感觉不到自己的速度。就我自己而言,那是和静止是一样的。这时候,如果我身边有一束光,或者一个电磁波,我将看到什么呢?是一个静止的电磁波吗?也就是会看到一个虽然在震荡的电磁场,但是它却不会交替感应下去吗?

哦不,这显然违背了麦克思韦的方程主,虽然我在以光速飞行,不论是我自己用发声装置发声一个电磁波,还是我飞过一个电磁波发声装置,我看到的电磁波都应该是相同的,因为介质没有变嘛。

我将看到一个震荡中的电场能够产生震荡的磁场,而一个震荡的磁场又能够产生震荡的电场,这个交替反应绝不会停下来。再想象一下暴速的情况,如果我和这对暴速的人都在同一节火车车厢中,火车在高速行驶,但是我并不能感觉到火车是静止的还是运动着的。

我会看到暴速人的反应速度提高了吗?这显然是很荒谬的,火车跑得再快也应该跟暴速人的反应速度无关,我应该仍然看到他们以同样的反应速度传递着 1,2,3 才对。这么说来,光速应该相对于任何参照系来说都是恒定不变的。

想到这里爱因斯坦手上的纸烟的烟灰掉落在地上瞬间碎成一片爱因斯坦从沉思中回过神来对刚才的思考感到满意他想这个问题已经不止一天两天了他拿起笔在草稿纸上写下了一句话对于任何参考系来说光在真空中的传播速度恒定

爱因斯坦的思考并没有停下来他接着想如果说光束真的相对于任何参照系来说都是恒定不变的那么假如未来某天发生了这样一起案件

在一列亚光速集池的火车上,有两个人站在车厢的两头进行决斗,他们的决斗规则是这样的,在两人的正中间有一盏信号灯,灯亮就是拔枪信号,生死游命看谁枪快,当然他们两人的枪是一模一样的,现在我想请你思考,这个决斗规则是公平的吗?

你看公不公平是不是取决于下面的两个关键点第一站在车头和车尾手枪射出的子弹相对于两人的速度是否完全相同呢第二他们两人是不是同时看到灯亮

对于第一点有些人可能会认为站在车尾方向的人占便宜因为手枪子弹是顺着火车运动方向飞行那么子弹的飞行速度要加上车速而站在车头方向的人这刚好相反手枪子弹是逆着火车运动方向飞行那么子弹的飞行速度是不是还要减去车速

如果你也是这么想的那就是初中物理还给老师了正确的思路是运动都是相对的如果以地面为参照物那车头方向和车尾方向射出的子弹相对于地面的速度确实是不同的

可是在这个案件中我们要考虑的显然是子弹相对于决斗双方的速度这时候因为决斗双方也在随着火车一起运动因此当我们把火车的窗帘全部拉上站在车里面看两人决斗那就跟站在静止的车厢中看两人决斗是没有区别的子弹相对于决斗双方的运动速度并不会发生改变

所以是不是公平的第一条也就是子弹的飞行速度对双方而言当然是公平的关键问题是第二条他们俩人是不是同时看到灯亮呢爱因斯坦经过一番认真的思考和推敲他竟然发现了一件极其诡异的事情不知道你能不能想明白

爱因斯坦发现,如果有人站在车厢中观察,会认为他们俩是同时看到灯亮,这个决斗规则是公平的。但如果有人站在车外观察,则会认为他们俩不是同时看到灯亮,这个决斗规则是不公平的,是不是同时取决于所选取的参考系。这就是爱因斯坦在 1905 年识破天经的一次思考。

他得出的这个思考结果彻底冲破了牛顿建立的经典时间观当然这也是人们对时间的最朴素的感受

当我们在日常生活中说某人和某人同时做某事的时候那就是表示这俩人是绝对的同时时间是脱离空间和物质的永恒存在同时就是同时这个概念本身没什么可争议的现在爱因斯坦发现同时不是绝对的同时是相对的我们这个宇宙中不存在绝对的同时

当然,爱因斯坦的思考并没有就此停止,他接着又设想了一个诡异的情形。假如,想象我在宇宙中开着一艘非常接近光速的飞船,当我开启飞船船头大灯时,站在飞船上的我会看到这束光正以 30 万千米每秒的速度远离我而去。

但诡异的是假如这时候有人在地面拿着望远镜看我的飞船他应该会看到什么样的景象呢也是飞船上的光以 30 万千米每秒的速度远离飞船呢还是说他会看到飞船和飞船射出的光几乎齐头并进慢慢拉开距离呢

请大家跟上我的思路想一想这不是一件非常矛盾的事情吗站在飞船上的人看到的是眼前的光收的一下就跑到宇宙深处去了但站在地面上的观察者看到的却是飞船上的光和飞船慢慢拉开距离

爱因斯坦想来想去要解决这个矛盾唯一的方案就是飞船上的时间和地面上的时间流逝速度是不同的用最通俗的一句话来说那就是飞船的一秒钟可以等于地面上的一小时只要我们打破时间绝对流逝永恒不变的朴素观念就能自然而然的理解这个思想实验中的矛盾了看似矛盾其实并不矛盾

这就是爱因斯坦为人类重新建立的相对论时空观在他刚诞生的时候遭到了无数的质疑和反对但是现在他已经是被写入我们高中物理教科书中的常识了尽管这个常识一点二也都不符合我们的日常感知但他却是对的他已经被科学家们千百次的验证过

好了如果听到这里你发现自己的时间观念原来是停留在牛顿时代那么恭喜你从这一刻开始你进入到了爱因斯坦时代但爱因斯坦的时间观就是最新最好的了吗当然不是当人类进入到探索微观世界的量子物理学时代后我们对什么是时间又产生了更多终极思考我们依然在追问时间是什么

当人类文明的纪元进入到 20 世纪之后在一大群天才物理学家的努力下人类终于敲开了微观世界的大门无数新奇而又美丽的风景展现在我们眼前

20 世纪最初的五六十年被称为人类物理学的黄金时代我们开始探索隐藏在物质最深处的奥秘概括来说物理学家们发现物质和能量不是无限可分的它们都有一个最小的基本单位这个世界上的一切物质都是由不可再分的基本粒子构成的这些基本粒子的微小尺度令人感到不可思议但在数学上它们就是有一个最小尺度的

而我们在宏观世界看到的一切都是无数个基本粒子互相作用下的一种涌现在这里我要给你讲解一下物理学中的这个术语涌现这个词现在越来越多的出现在各种物理学研究和最新的科普文章中涌现是非常迷人的一种现象

比如说你可能在生活中或者电视中见过鱼群或者鸟群我们盯着鱼群中的某一条具体的鱼观察时我们会发现它的运动非常杂乱无章似乎完全随机的但是当我们把视角扩大到整个鱼群时我们会发现鱼群的整体运动是另一番景象整个鱼群就像是一个单一的有生命的个体它们会躲避障碍做规律的几何运动等等

这就是一种涌现也就是说单个物体的运动模式和整体的运动模式非常不同刚才举的这个例子是一个宏观上的例子你可能比较容易理解那我再来举一个不是那么好理解的例子我们知道水是由无数个水分子组成的当水流的流速达到某个临界点时水流会突然从有规律的沉流转变成看似毫无规律的湍流

我们在小溪中会经常看到水流经过某一块石头后就转变成白花花的一片在这片白花花的水浪中大漩涡套着小漩涡水流的运动变得复杂多变这也是一种涌现再比如一杯水从液态转变成固态或者气态也是在某个临界点之后突然转变的这也是一种涌现

更有意思的是现在学者们说人类的意识也是一种涌现我们的大脑皮层中有几百亿个神经元如果我们单独观察其中的每个神经元我们不可能观察到意识但这几百亿个神经元聚集在一起相互作用时人就产生了智慧和意识这也是一种涌现

总之,涌现在这个宇宙中无处不在当物理学家们仔细去观察宇宙中的各种现象时他们发现所有的宏观现象似乎都是基本粒子随机运动的一种涌现总结来说,涌现的核心特征就是复杂系统中的整体行为和性质无法仅仅通过分析单个组成部分来预测通过局部部分的相互作用宏观系统产生了新的特性

这些特性只有在系统整体的尺度上才能观察到且往往具有非线性不可预测的性质现代的物理学家正在追问一个问题时间会不会也是一种涌现呢

爱因斯坦认为时间是一个维度它和空间维度一起构成了我们生活的四维时空换句话说在相对论的理论框架中时间被认为是宇宙结构的一部分是最基本的结构时间就是时间你没有办法继续追问时间是由什么组成的

我来打个比方在 19 世纪人们发现万物皆原子任何物质都是由不同性质的原子构成的而世界上的原子种类并不多也就一百多种但是进入到 20 世纪后物理学家们就开始追问原子是由什么组成的

现在我们知道原子可以拆分为原子核和电子,原子核又可以拆分为质子和中子,质子还可以继续由六种不同的夸克组成。你看,随着人类科学的进步,对物质世界的不断探索,我们逐步发现原子不是基本结构,原子核也不是,质子也不是。

同样的道理,现在理论物理学家们又开始追问,时间就是基本结构了吗?时间会不会是一些更基本的结构的涌现呢?例如,在量子引力理论和弦理论的框架下,时空的结构可能在极小的尺度上并不是连续的,而是离散的。在这些理论中,时间不再被认为是一个基本的独立的维度,而是从更基本的结构中涌现出来的。

时间可能在极微观的尺度上并不存在而是有一些更加基本的物理过程很可能是像量子纠缠这样的相互作用所涌现出来的好了以上这些就是我们还在探索中的最前沿的课题当然科学家们现在还无法给我们一个确定的答案或许这个谜题的答案将被正在收听我这期节目的某个孩子在十年二十年后所回答

如果我今天这期节目可以为某个好奇的孩子种下时间是什么的种子那将是我离开人世时最好的告慰最后我想请大家再听一遍我的科普电影《寻觅自然,时间的形状》全国巡回首映门票预售开启的广告我相信这部电影会让无数的中国孩子种下科学启蒙的种子请你玩一个拆弹游戏快走在任何

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最后再回答一下很多人关心的问题我们那个被海关扣着的摄影箱到现在我还没有拿到还在办理各种各样的手续截止到今天也就是 12 月 4 号我们也不知道到底要交多少税甚至我们都不知道这个箱子能不能顺利回来总之这个礼拜还在跟他们搞大家祝我好运吧我们下期再聊科学声音