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围绕“时间”面面观

(2012-03-06 06:32:18)
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文化

观念变革

物理学创新

杂谈

每秒钟

围绕“时间”面面观

 

前    

 

北京相对论研究联谊会发出集思广益地探寻“时间”之真谛的倡议,本人举双手赞同,并且愿意倾自己之所知以就教于联谊会同仁。

这里把平日所思考的一些“断想”集结在一起,分别从不同角度聚焦于一个相同的问题;每一篇都只针对某几个要点,并不是完整的文章。只要能够对诸位的论述有所补益,愚亦心满意足也。

笔者跟“时间”的特别缘份,最重要的“红娘”是家里使用的那一台古老的摆钟。我就是使用它、经过半年的实验,得出一个可以难倒所有物理学家的选择题,从而确立了时钟根本就不存在“固有周期”的观念,彻底动摇了物理学原理都属于真理的信念。

于是就产生了围绕“时间”的诸多争议和困惑,全都是诡谲多变的钟在捣鬼的想法—— 十多年的经历证明,我确实找对了突破口。

用于度量过程之长短的仪器,包含着“客观自在的真实钟差”,承认不承认这一点,即是能否正确认知“时间”的分水岭。

 

1. 时间,是一个跟“事件”过程相关的术语;具体使用时分两种情况:

你“什么时候去”或者是“什么时候到”,具体指“事件”的起、迄端点,跟物理学理论中所谓的“时刻”相对应。这是第一种情况。

第二种情况是:“做这一件事需要半年、还是三个月,或者50天”,指的是“事件”过程之长短。表述的内容包括两个部分:一是数字,对应于过程之长短,二是单位,年、月、日者是也;单位不同的数字,不可以直接比较,但是它们之间却具备确定的换算关系—— 也就是说,对于这第二种情况,单位和数字是不应该被混同的;其中应该关注的特别是“单位”。

从日常用语、书面语言,到理论著作、乃至于哲学,所使用的“时间”这个概念,概莫能外—— 由于“时间”早已成为全人类耳熟能详的口头用语,其中包含着一些约定俗成的成分,无需解释都可以尽人皆知;故而对于时间这个概念,辞书上就没有给出相关的定义。

据此可知,哲学的“时间”是一个跟事件“过程”相关的术语,并不指代任何实际的“存在”之物。

2. 随着物理学的兴起,用于计量物理事件过程之长短的“时间”概念,就显得特别重要起来,从而就引出了严格区分“时刻”和“时间”的必要性——“时刻”对应于事件的起、迄已如前述;对于“时间”,却依旧按照约定俗成去理解,直到相对论出现之后,“时间”这个概念才被炒得甚嚣尘上。

传统的理论中都说物理学又叫自然哲学,实际上这种说法是不恰当的。

物理学是一门以可以精确度量为基础、用数学方程表述自然规律为手段的新兴学科,对于量纲式中的M、L、T,重点关注的是它们的计量“单位”,而不是形而上地去追问它们“是什么”?

据此可知,科学的“时间”T是一把标尺;所关注的核心问题,是用什么样度量标准去计量物理事件过程的长短—— 这就有了严格定义的“秒长”。

围绕“时间”这个概念的诸多困惑,皆源自于传统关于“物理学又叫自然哲学”的错误说法—— 从哲学的角度去考虑时,首要的问题就是应该回答“是什么”;而从物理学的角度去考虑时,最重要的就在于如何予以“计量”、其中最最重要的是使用什么样的“单位”。

比如冶炼生铁时,铁矿石、石灰石和碳等原料,虽然分别属于不同的物质,但是我们所关注的却只是它们之间“量”的比例,而且必须使用相同的单位kg—— 由于在传统的理论中,物理学和自然哲学的本质差异被抹杀掉,才引出了围绕着“时间”的众说纷纭。

小结:任何人在参与讨论“时间”的时候,自己首先必须明确自己说的是哲学的“时间”、还是物理学的“时间”;不然的话根本就找不到共同语言。

3. 对于量纲式中的M、L、T,M和L都有“标准原器”妥善保存在巴黎,唯独没有用于度量T的“标准原器”—— 这究竟为什么?

4. 传统认为:只要有了严格的定义,有了先进精密的仪器,就可以测准任何一个标准的物理量。

就是时间T,却在长达二、三百年的时期内跟“传统”开了个大玩笑。

在“经验”和“传统”的领域,伽利略L-T变换的t’=t,一直被当做“真理”看待;因为他跟协调社会群体活动所需要的同时性是绝对的能够一致。但是却从来就没有人(包括科学家)想到过,新闻媒体每半个小时都要提供一次“校钟”的时间信息,难道是他们闲得太无聊了吗?

5. ,作为一种测量仪器,经典物理学告诉我们:它在空间中不同位置快慢会有变化的原因,就在于它在这些不同位置受到的“第一推动”不同。

这也就决定了在空间中位置不同的地方,对时间T的计量并没有一个确定统一的标准—— 无论是机械钟还是原子辐射,其周期T都不确定(即不存在固有频率)这一点,既是空间具有物理性质的具体表现,同时又是“空间不空”的铁证!

更重要的是,笔者的“摆钟实验”已经给出了确定无疑的判据!

钟是仪器家族中非常特殊的一员,因为作用于它的物理机制(即g)并不是一个恒量,故而就存在着测不准周期T的特性。百余年来围绕“时间”的诸多争议与困惑,基本上就存在于这种“特殊性”之中。

6. 只要你愿意认真思考一下电视台每半个小时都要提供标准时间信息,并不是因为他们闲得无聊、而是非这样不行;也曾经思考过对于M、L、T唯独没有度量时间T的“标准原器”,可能就会承认无论是机械钟还是原子钟,根本就都不存在“固有频率”—— 从方程式中发现的时间会“变快或变慢”,原本是一种假象;实际情况则是“同一台钟”放到速度V不同的参考系中、或者是空间中g、gR不同的地方,用于度量时间的标尺T就都不相同。

对于同时性究竟是相对的还是绝对的这个问题,笔者的回答是:

自然界客观存在的同时性,本来就都是相对的;而人类要协调社会群体活动和搞科学研究,所需要的同时性则是绝对的。根本就不是在牛顿的学说中,同时性是绝对的;在爱因斯坦的学说中,同时性是相对的

伽利略度量“时间”的标尺不变,因为在经典物理学中g被看做是一个恒量;爱因斯坦度量“时间”的标尺可变,因为对精密自然科学而言,g必须被看做是一个变量—— 一台古老的摆钟,都可以记录下来△g/g=10~-10的变化量,已经确定地为度量“时间”的标尺可变提供了充分而必要的证据。

 

正确认知“时间”的几个要点

 

通常所谓的时间,是用于记录一个或比较两个事件过程长短的术语。

物理学量纲式中的时间T,指的是度量“过程”长短的标尺,计量单位是。它的全称应该是时间间隔(即秒长)T,简称时间T

依据单摆公式围绕“时间”面面观可知,周期T是一个由空间中自然场强度g所决定的物理量;故而,时间间隔T是一个具有绝对性的、表示物理客体(即空间中的三维圆球)之属性的概念。

计量时间间隔T的单位——秒长,是一个与周期相关的物理量。

历史上对秒长的定义,曾经发生过以地球自转周期为准的“世界时”﹑以地球公转周期为准的“历书时”﹑以铯原子辐射周期为准的“原子时”三次变革;但是,即使如此每隔三、两年少不了还需要来一次“闰秒”,足以证明人为规定的秒长,就只具有相对性

只是用于度量周期T长短的一种仪器;故而钟所记录的时间数值t(秒数),就总具有被动性。由钟所记录的时间数值t,跟它的周期T之间呈倒数关系;真正具有物理学意义的是时间间隔T,而不是时间数值t。

经典物理学使用的伽利略T-L变换t’=t,建立在“地球表面附近的g是个恒量”的基础上;然而经典物理学又同时承认g是一个随高度h而不同的变量,故而这种时间观就只具有实用性,而不具有客观的真理性

相对论所讨论的则是时间间隔T,而不是时间数值t,“这只钟所指示的时间(在静系看来)每秒钟要慢……”,爱因斯坦在《论动体的电动力学》中早已明确指出,而迄今为止学术界依旧将T﹑t混为一谈,即是造成时间观念混乱的总根源。

为了从根本上澄清时间观的混乱,首先应该严格区分日常使用的“时间”概念、量纲式中的时间T、时钟上的时间t三者的本质差异;进而确立空间中不同位置的钟所显示t之不同只不过是,而只有T之不同才是,其真正的物理作用机制则来自g之不同;继而还必须彻底厘清上述关于绝对性﹑相对性被动性三者之间的有机关系。

从“经验”向“理性”升华的关节点,就在于必须确认:

即使是在地球表面附近,自然场强度g是一个变量而不是恒量。

结论:

度量时间使用的周期T,是一个由空间中自然场强度g所决定的物理量;“经验”认为g是个恒量,实际上它却是变量、即度量时间根本就不存在统一、确定的标准——只需要能够迈出从“经验”向“理性”升华这第一步,围绕《论动体的电动力学》的诸多困惑与争议,很快就都可以烟消云散。

自然科学的发展史,可以认为就是一步一步寻求更精确计量时间T之标准的一个漫长的过程—— 世界时~历书时~原子时,就是以地球自转的1/n、公转的1/n、铯原子辐射周期的n倍为秒长标准的三次重大变革;现代精密自然科学所使用的时间单位,实际上已经是铯原子的辐射周期T。

 

时 间 和周 期 T

 

【1】. 时间作为与经验直接相关的日常用语中的概念,在一般的理论著作、哲学和物理学中,也都没有给出过定义。我们可以把它定义为:

时间:是用于指称记录一个或比较两个事件过程长短的术语。

追溯关于时间观念形成的历史,最初肯定和日出日没的周期性循环直接相关,而后逐渐拓展到与月圆月缺、春夏秋冬周期性循环相关联的、使用日、月、年表述的时间观念。

小结:人类有史以来的时间观念都总是和周期相关联的。

【2】. 物理学量纲式中的时间T是度量过程长短的标尺,单位被规定为,它是一个由周期决定的物理量。无论是世界时、历书时、原子时,其秒长都是依据某一种真实物理过程之周期的1/n或n倍来定义的。比如摆钟,它的秒长T就是由客观存在的物理量g所决定—— 足以能够说明:

物理学理论中所使用的、表示时间间隔的T(即秒长),是一个从多种物理过程中抽象出来的、具有真实物理意义的基本物理量。

小结:对事件过程长短的度量,所使用的标尺是周期T。

3】. 传统认为周期T是振动机械的一种固有属性,故而就有了“固有频率”这样一个概念。

一个非常偶然的机缘,让我应用家里古老的“摆钟”所做实验的结果,提出了一个基本上可以难倒所有物理学家的选择题:

依据围绕“时间”面面观制成的摆钟,刚旋紧发条比发条松弛时:

a、变慢      b、不变      c、变快

这道选择题难就难在:依据经验常识应该选c,依据物理学原理必须要选b,而实际情况则是选a

据此动摇了“周期T是固有属性”这条物理原理在我心目中的可信度。

4】. 物理学量纲式中的M、L、T,前两个的单位都有“标准原器”, 而对于T,为什么就没有标准原器呢?

上述实验的理性结论应该是:机械振动的周期T,是一个跟△g直接相关的物理量。伽利略的t’=t建立在g是恒量的基础上,并不具有真理性。

爱因斯坦说:“我们可以将发出光谱线的一个原子当作一个钟”,“原子辐射的频率跟它发射时所处在的势直接相关”—— 原子辐射也没有固有频率。

小结:对于“时间”的度量,根本就不存在确定而统一的标准。

因为无论是机械振动还是原子辐射,根本就不存在所谓的“固有频率”。

秒的定义虽然发生过3次重大变革,少不了还需要“闰秒”。

5】. 对于同时性究竟是相对的、还是绝对的?正确的回答就应该是:

自然界客观存在的同时性,是依据gR或者V之不同而相对的,协调社会群体活动和科学研究所需要的同时性,则是绝对的;解决这一对矛盾的唯一办法,就是在“钟的结构”上做手脚。

相对论带来的“时间会变”观念,真实的意思是,对于gR不同或者V不同的两个参考系,对“时间”的度量并不存在统一、确定的标准-周期T。

因为“固有频率”这个概念,原本就是子虚乌有的。

 

动钟变快不是观测效应

 

【1】.  A·爱因斯坦在《论动体的电动力学》中写道:

τ=t 围绕“时间”面面观 =…….

由此得知,这只钟所指示的时间(在静系中看来)每秒钟要慢”。

A·爱因斯坦在这里不是讲“钟……要慢”,而是指“时间(在静系中看来)每秒钟要慢”—— 即物理学量纲式中的时间T“要慢”(实为“减少”)。

“我们设想有若干只钟,当它们同静系相对静止时,它们能够指示时间t;当它们同动系相对静止时,它们能够指示时间τ”—— 并不难判定, A·爱因斯坦在《论动体的电动力学》中已经讲得非常明白:

运动物体所携带钟的“每秒钟”τ小于静止钟的“每秒钟”t

【2】. 他还说:“我们可以将发出光谱线的一个原子当作一个钟”,“原子辐射的频率跟它发射时所处在的势直接相关”—— 不存在“固有频率”。

1967年,第十三届国际计量大会批准:“秒等于铯133原子基态的两个超级精细能级之间跃迁辐射周期9192631770倍的持续时间,称为原子秒”——这里定义的秒长(即“每秒钟”)是和周期相对应的一个物理量。

由《论动体的电动力学》中给出的“任何速度的多普勒原理”公式不难得出,当“垂直观测”时,运动物体所发出光的频率将增大,其周期T就必然减小——“每秒钟”将“减小”的实际效果,就毫无疑问是“钟变快”。   

【3】. 国防科工委“约请四位国内研究相对论的权威专家”给笔者的“复函”中这样写道:“对于实际的GPS系统,卫星上的钟B比地面的钟A走得慢,为了使卫星发射后钟B的读数与钟A一致,应在卫星发射前预先将钟B走的频率调快一些,这样卫星发射后钟B的读数与钟A的读数可保持一致。(以上分析忽略了引力效应,对于实际的GPS卫星,地面钟A的频率为10.23MHz,卫星钟B在发射之前不是调快,反而是预先要调慢0.04567Hz,这主要是考虑了地球引力效应后的修正)”。

既然“卫星上的钟”需要调频才能跟地上的“钟A一致”,就已经肯定了两个钟出现的差值绝非是“观测效应”,而是千真万确的“物理效应”。

【4】.向群摘编的“第242次香山科学会议交流材料”中写道:

“GPS证实洛仑兹收缩不可观测”,“卫星定位问题与相对论的关系一直困扰着美国和俄罗斯的科学家”(《发明与创新》2005.9)。

1979年第4期《计量参考资料》载“国际计量局工作报告”中指出:

1975年前国际原子时主要基准TAI单位量值短了10×10-13s,计量委员会批准国际天文协会1976年8月的决定,从1977年1月1日起,国际原子时的统一时间间隔延长10×10-13s。究竟基于什么样的物理学机制,报告中并没有说明;依据的仅仅是天文观测的实际结果。

【5】. 笔者的结论:国际上通用的NBS-5铯钟的二级多普勒频移量为-5×10-13,我国国家计量院CⅢ号铯钟的频移量为-5.1×10-13;如果将二次项前的“-”号改为“+”号,就跟国际计量委员会批准的修正值正好一致。

在依据国际计量局的规定修正后,二级多普勒频移量就已经不复存在。

 

与时间相关的10个概念

 

时间:用于表述记录一个事件、比较两个事件过程之长短,或者是事件发生之先后的通用术语。口头语言、书面语言乃至于哲学著作中皆无不同。

时间T:物理学量纲式中的时间T,表述的是用于度量时间之长短的标尺、即度量时间的标准。传统物理学使用的单位是秒长,简称为秒;依据一昼夜的1/86400来定义,称为“世界时”,而后又有“历书时”、“原子时”。

时间t:经典物理学理论中使用的时间t,指的是从事件开始到终结,时钟上所记录的数值。可以简称为秒数;经典物理学依据伽利略L-T变换的t’=t,认为“钟读数一致”是天经地义的,却忽略了即使是在地球表面附近,空间自然场强度g也是一个变量。

故而伽利略L-T变换虽说具有很好的实用性,却并不具有真理性!

时刻:多用于表述事件开始或者终结的“瞬间”时间,包含着几何学所定义“点”的特性。即如果把事件过程所经历的时间比做一条“线”,时刻就用于指这条线上的一个“点”。

时钟:是用于记录时间数值t的一种仪器。

由钟所记录的数值t,并不具有客观性;以摆钟为例,决定其周期T之长短的有两个因素:摆长L和空间自然场强度g,经典物理学相信“钟读数一致”,是建立在所使用钟的摆长L不同基础上的。但是,由于这种观念跟“经验”吻合得很好,人们(包括科学家)就把它“当成”了真理——这是当今围绕“时间”问题的一个非常严重的常识性误区。

时标:指计量时间的标准,也就是量纲式中的那个时间T。它指的是两个时刻之间“过程”的长度;由于不同学科研究的对象差异太大,所使用计量时间的标准自然也就不同。天文学以“年”为标准,日常生活通常以“日”为标准,经典物理学以“秒”为标准,现代科学以“纳秒”为标准。

时频:这是一个跟时标T呈倒数关系的概念;因为fT=1。

爱因斯坦在谢世前3年,就使用过的“时率”,传统一直对应于“时频”在使用—— 即把它当成时钟振动的频率、也就是时钟上所记录的数值t。

而实际上“时率”指的是“每秒钟”、也就是周期T;仅此一点,导致把相对论的时间效应本来是“时间收缩”硬说成是“膨胀”的跨世纪错误。

时间间隔:指的是两个时刻之间的“时间”长度。

物理学量纲式中的时间T,实际上指的就是时间间隔,或曰秒长T;是用于度量过程之长短的标尺,对应于“时标”这个概念。

时间数值:对应于“时频”。也就是指时钟所记录的数值t。

秒长:对应于“时间间隔T”的长度,也就是“时标”,而不是“时频”。

爱因斯坦在《论动体的电动力学》中讲道:“这只钟所指示的时间(在静系中看来)每秒钟要慢”,这一句话中的“慢”,究竟是指“钟”、还是指“时间”?也就因为这一个“慢”字,铸就了一个“跨世纪”的错误!

对物理学真正有用的,只有时刻时标两个,其余都可以弃之不用。

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