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确立正确的时间观

(2012-03-07 05:15:59)
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文化

观念变革

每秒钟

物理学创新

杂谈

简介:正确解读相对论的关键在“时间”,彻底搞清楚“时间”之内涵的关键又在于“钟”。笔者可以肯定地说:所谓的“标准钟”根本就不存在!这种错误观念的根源,就植根于高中《物理》教科书中灌输的有“恒定的周期”。

近400年的物理学大厦,确实如恩格斯所说,是在“一个挨一个地和一个跟一个地从事这种无限的认识”过程中,将一个个个别的发现“堆积”起来的建筑,出现“真理碰到鼻尖上的时候还是没有得到真理”并不稀奇; 20世纪自然科学的诸多新发现,跟经典的物理学观念相去甚远,千真万确如巴里·派克指出的,到了应该“把所有这一切弄到一起”的时候。

笔者跟“时间”结缘久也,最初、也是最有力的证据就来源于“摆钟实验”。最基本的观念变革及其结论,就集中为在“围绕‘时间’面面观”中写的这段话——

“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、时钟上记录的时间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于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。

围绕着‘时间’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”。

关键之关键就在于,只需要放弃相信存在“标准钟”的错误理念,所谓相对论带来的新观念就很容易接受了;为了能够让子孙后代不继续为这个“错误的怪圈”浪费宝贵的时间,高中《物理》教科书必须修改。

 

 

 

确立正确的时间观

 

 

摘要:哲学的“时间”是一个术语,科学的“时间”T是一把标尺—— 时间既然是跟过程相关的一个术语,根本就不会变快或变慢。

所谓的时间观,指的是如何使用周期T这把标尺,对过程进行度量的理念;亘古至今所使用的标尺有年、月、日、时、分、秒乃至于纳秒。自然科学的发展和进步,跟所使用度量过程之标尺的单位越来越精细直接相关。

所谓的同时性,本来是跟“时刻”相关的一个术语,现代科学则把它延伸到了“实时同步”。协调社会群体活动需要的同时性必须是绝对的,而自然界所存在客观的同时性则是相对的;平衡这种绝对性相对性之关系的方法,就是在记录时间数据的仪器-时钟上做“手脚”。

经典物理学给我们留下同时性是绝对的印象,依据是伽利略变换的t’=t,但是人们都忽略了不同参考系中的“钟结构不同”这个细节;《论动体的电动力学》提出了同时性是相对的理念,一直不能被学界所接受的原因,就在于这种理论建立在“使用相同的钟”之基础上,其实跟经典物理学的时间观并没有任何不同—— 前者要求“钟读数一致”,却使用“结构不同的钟”;后者则使用“结构相同的钟”,并允许“钟读数不必要一致”。

一个物理事件无论在任何参考系中,所经历过程的长短都是一样的;但是,在空间中的不同位置,或者是运动速度不同的参考系中,由于“相同的钟”的周期T不可能相同,才会出现所记录的数据存在差异,于是就有了自然界存在的同时性、总是相对性的客观事实——  实际上并不是自然界客观存在的同时性总是相对的,而是在不同的参考系中用于度量过程之长短的标尺,根本就没有统一而确定的标准、所导致的被人们错误理解的“假象”。

传统认为只要有了精确定义的单位、足够精密的仪器,任何一个物理量的测定都可以达到所预期精度的信念,对于“钟”而言是不成立的—— 百余年来围绕着所谓“时间”的诸多困惑和悖论,就都来自于“时钟”的诡谲无常,及其对“时间只不过是跟过程相关的一个术语”的无知。

只需要正视如下两个事实,就可以理解这一段话中所包含的哲理:

1. 量纲式中的M、L、T,为什么M、L都有“标准原器”被妥善保存在巴黎,而却没有计量T的“标准原器”被保存?

2. 为什么新闻媒体每当正点都要提供“校钟”的时间信息,总不会是因为他们“闲得无聊”的缘故吧?

关键词:时间,时间T,时间t,时间观,时刻,秒长,秒数

 

 

【1】. 何谓“时间”?

哲学的“时间”是一个术语,科学的“时间”T是一把标尺。

定义——

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。它的全称应该叫做时间间隔(即秒长)T,简称时间T

经典物理学理论中所使用的时间t,是从事件开始时刻到终结时刻、时钟上所记录的数值(即秒数)。

小结时间是一个跟事件“过程”相关的术语,根本就不是哲学中所谓的“基本存在”、即通常意义上所使用的“物质”本身。

首先必须分清时间、时间T和时间t三个概念;进一步还必须确立量纲式中的时间T跟传统所使用的时间t,是“呈倒数关系”的认知理念。

 

【2】. “时间观”所指的究竟是什么?

1. 所谓“时间观”的核心要件,是关于如何确定度量过程长短的标尺问题;根本就不是要回答传统所谓的“时间究竟是什么”。

追溯关于时间观念形成的历史,最初肯定和日出日落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、年来度量过程之长短的时间观。

推论1: 人类最初的时间观念都总是和周期相关联的。亘古至今所通用于度量过程之长短的标尺,莫过于年、月、日者是也。

而后,为了能够比较准确地记录一天之内较小的时间间隔,就发明了使用焚香、沙漏、滴水漏和日晷等计时的方法。

久而久之就形成了“时间”(实际上指“过程”)总是有起始、有结尾的直线型时间观,逐渐忘却了度量时间的标尺总是和周期相关联的既定事实。

推论2: 时间T本来是和周期相关联的术语,但是由于经验的时间总表现为“有始有终”,年深日久的积累就有了“带箭头”的直线型时间观。

2. 计量时间的单位

在近代物理学出现之前及其迄今的现实生活中,计量时间最基本的标尺都是年、月、日;只有在摆钟出现之后,才具备了使用时、分、秒精确计量时间的可能—— 据此不难发现,经典运动学兴起的必要条件是有了摆钟,由之提供了一个以“日”的1/86400为基准的、度量过程之长短的单位-

依据单摆公式确立正确的时间观制成的摆钟,其中的T是一个由g决定的表示周期长短的量;如果我们认定摆锤完成一次全振动时间间隔长度为1秒,那么,所谓的时间T即是由g作用于摆锤物理效应的直接显示。

推论3: 物理学量纲式中使用的时间T,是g作用于单摆的直接显示,或曰g是使单摆得以周期性振动的主动因;依据单摆原理制成的钟,却只能被动地记录这种“物理作用”的结果。

传统计量时间是把地球自转一周(即一昼夜)的1/86400定为1秒,叫做世界时;发现地球的自转周期不稳定之后,从1886年开始“采用天文观测求得太阳出现在天顶的平均周期(即太阳日)的1/86400为1秒”。

1960年第十一届国际计量大会批准:“秒为1900年1月0日历书时12时起算的回归年的1/31556925.9747”,被称为“历书时”,—— 这两种“时间观”都是以天体运行周期的1/n来定义的秒长。

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”,被称为“原子时”(TAI),定义秒同样使用的是周期

推论4: 物理学量纲式中时间T的单位被规定为,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,都是依据某一种真实物理过程之周期的1/n或n倍来定义秒长的;即使是摆钟,它的秒长T也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、度量过程之长短的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概念。而对于“秒长”的定义,却都只具有相对性

推论5:物理学量纲式中的时间T,可以定义如下:

时间T,是一个用于度量过程之长短的周期(即标尺)值;其实质则是由空间自然场强度g作用于“单摆”的精确显示。单位叫秒长,简称为秒。

秒长的定义历史上虽说发生过多次变革,但是都总是和周期直接相关;而这些周期又都是依据真实的物理过程所决定,故而就具备了客观的真理性,可以认为T即是跟空间中不同位置g之大小直接相关的一个物理量。

3. 物理学的“时间”

因为物理学是一门以度量为基础、用数学描述规律为手段的学科,物理学量纲式中的M、L、T,应该被关注的就只能是其单位(或曰标尺)、而不是它们“本身”究竟指的是什么;回答“是什么”这种问题的应该是哲学家。

物理学家应该关注的T、即度量过程之长短的标尺、也就是每秒钟的长度,历史上已经出现过世界时、历书时、原子时三种标准;历书时的精度提高到10-9秒,相当于每30年差±1秒;原子时的精度可达10-13秒,相当于3万年差±1秒。据此可以得到——

推论六:自然科学的发展和进步,是随着用于度量过程之长短的标尺之单位日益精细化(即从秒~毫秒~微妙~纳秒)而向前推进的。

【3】. “同时性”问题。

物理学、哲学跟日常用语中所使用的“同时性”这个术语,指的都是跟“时刻”相对应的一种关系。比如国庆节阅兵式于8点30分开始,要让全国各地的人都能够在同一时刻看到,就存在一个如何实现“同时性”问题。具体的办法就是全国各地都应该按照电视台提供的时间信息进行“校钟”。

小结:经验所谓的同时性,是一个跟“时刻”相关的术语;同时性的绝对性,是协调社会群体活动所必须的条件,实现的办法是:全国各地不同纬度、不同高度的“钟”的结构均不相同。

物理学理论中所谓的同时性,向来都被认为具有绝对性,基础就在于伽利略L-T变换给出的t’=t;但是,经典物理学早已指出:同一台钟放在不同的高度或纬度,一昼夜所记录的时间数值却是不相同的—— 由于伽利略变换跟经验需求相吻合,久而久之人们(包括科学家们)就把它当成了真理。

必须清楚的是:伽利略的t’=t,是把g当成一个常量的近似;全国各地的钟能够保持同时性的绝对性,前提是钟的结构均不相同。

小结:自然界客观存在着的同时性,本来就都是相对的。经验生活中存在的“钟读数一致”,是通过“钟的结构不同”而实现的。

科学、尤其是现代科学所谓的同时性,不仅要求在事件开始的时刻需要“同时”,而且在事件的全过程中都应该“同时”,具体叫做“实时同步”。于是就提出了如何实现客观存在的同时性的相对性,跟主观需求的同时性的绝对性相一致的问题—— 在钟的结构上做“手脚”被推到了“前台”;于是人们(包括相当数量的科学家)就都感到惊诧莫名,对所谓的狭义相对论群起而攻之。实际上通过对钟的结构做“手脚”,以实现同时性是绝对的,原本从2、3百年前就已经在使用,只不过是没有人从这样的角度去认知罢了。

小结:自然界客观存在的同时性,本来就是相对的;人类所需要的同时性,则是绝对的。协调这种相对性和绝对性关系的唯一办法,就是使用结构不相同的钟。

推论七: 所谓狭义相对论的时间观,跟经典物理学时间观的差异,仅在于前者要求“使用相同的钟”,不同参考系中钟的“读数不必一致”;后者则是要求“钟的读数一致”,而在不同参考系中所使用“钟的结构却不相同”。

【4】. 对仪器认知的误区。

传统认为只要有了精确定义的单位和足够精密的仪器,任何一个物理量的测定都可以达到所预期的精度;但是,对于“时间”的测量却否定了这种观念—— 因为“钟”的周期T是一个g而变的物理量,用于记录时间数值,完全是被动的;实际上g是一个变量、而不是传统认为的常量。

“钟”作为记录时间数值的仪器,其周期T根本就不具有“确定性”,也就是说无论是机械钟还是原子钟,都不存在所谓的“固有频率”—— 这一点是从来都没有被人指出来过的、认知上的“盲点”。

伽利略变换并不足为信;因为不同参考系“钟读数一致”的t’=t,是建立在g为常量基础上的信念,条件是“钟的结构”允许不同;而相对论则强调“使用相同的钟”,由于不同参考系的g都不相同,故而不同参考系中“钟的读数就必然不同”—— 只需要确立起g是个变量的观念,就很容易实现对伽利略L-T变换的超越。

小结:传统认为用于度量的仪器之单位标准,是确定不变的值,换句话说就是,用于度量的仪器总表现为主动的;“钟”却对之给出了否定,因为用于度量“过程”之长短的标尺、即周期T,是随着钟在空间中的位置不同或者参考系的运动速度不同而变化的一个物理量,故而钟用于记录时间数值则总是被动的

推论八: 对于任何一个物理事件而言,无论是在何种参考系中,所经历过程的长短都总是一样的,也就是说根本就不存在时间“膨胀”或“收缩”的可能。客观存在的同时性的相对性,其物理作用机制是:

用于记录时间数据的“钟”,处于空间中的不同位置或速度不同的参考系中时,作为标尺用的周期T都不尽相同;人们就根据“眼见为实”的记录数据不同,想当然地把这种现象说成是“时间”变快或变慢。

【5】. 物理效应还是观测效应。

综上所述,时间既然是跟过程相关的一个术语,根本就不会变快或变慢,所谓的时间膨胀或者收缩,及其双生子佯谬,就都是想当然的无稽之谈。

所谓的时间观,指的是如何使用周期T这个标尺,对过程进行度量的理念;亘古至今所使用的标尺有年、月、日、时、分、秒乃至于纳秒。自然科学的发展和进步,跟所使用度量过程之标尺的单位越来越精细直接相关。

所谓的同时性,本来是跟“时刻”相关的一个术语,现代科学则把它延伸到了“实时同步”。协调社会群体活动需要的同时性必须是绝对的,而自然界所存在客观的同时性则是相对的;平衡这种绝对性相对性之关系的方法,就是在记录时间数据的仪器-时钟上做“手脚”。

经典物理学给我们留下同时性是绝对的印象,依据是伽利略变换的t’=t,但是人们都忽略了不同参考系中的“钟结构不同”这个细节;《论动体的电动力学》提出了同时性是相对的理念,一直不能被学界所接受的原因,就在于这种理论建立在“使用相同的钟”之基础上,其实跟经典物理学的时间观并没有任何不同—— 前者要求“钟读数一致”,却使用“结构不同的钟”;后者则使用“结构相同的钟”,并允许“钟读数不必要一致”。

一个物理事件无论在任何参考系中,所经历过程的长短都是一样的;但是,在空间中的不同位置,或者是运动速度不同的参考系中,由于“相同的钟”的周期T不尽相同,才会出现所记录的数据存在差异,于是就有了自然界存在的同时性、总是相对的客观事实——  实际上并不是自然界客观存在的同时性总是相对的,而是在不同的参考系中用于度量过程之长短的“工具”,根本就没有统一而确定的标尺、所导致的被人们错误理解了的“假象”。

传统认为只要有了精确定义的单位、足够精密的仪器,任何一个物理量的测定都可以达到所预期的精度;“钟”却完全无视这种理念—— 百余年来围绕着所谓“时间”的诸多困惑和悖论,就都来自于“时钟”的诡谲无常,及其对“时间只不过是跟过程相关的一个术语”的无知。

自从《论动体的电动力学》问世以来,由洛伦兹推导出的经验公式中包含的“动钟”周期T的大小会“变”问题,就一直困扰着所有的科学家和哲学家;在发现了这种效应确实存在之后,科学家们基本上都认为那是一种“观测效应”,比如倪光炯在《近代物理》中写道:“这里有两件事是有趣的:(1)一只运动着的钟,由静止观察者来看,总是走得慢了……(2)这种钟的变慢,完全是相对论效应……是相对的,并不是由于钟的机件出了什么毛病”。

也有一些人认为是“物理效应”;但是,由于拿不出实验证据,这种观点就始终没有能够被学界所认同。

根据上述几点知识,我们已经清楚了:度量过程之长短的标尺,使用的是周期T;现在我们只需要能够搞清楚摆钟和原子钟究竟有没有“固有频率”,就可以准确判定这种现象是不是“物理效应”了。

周期T是讨论简谐振动引入的一个概念;T是一个恒量,“只由系统本身的特性决定,叫做系统的固有周期”,高中《物理》中这样写着,自然就等于说“固有频率”是存在的。

摆钟属于简谐振动,当然就应该有“固有周期”;实际上这种逻辑推演之中就包含着一个陷阱——“在一定的地点,g的值一定,一定摆长的单摆就有恒定不变的周期,摆的这个性质被利用在摆钟上计量时间”。同样在高中《物理》中还这样写着。于是,人们在刚刚接触“周期”这个概念时,就被灌输了“摆钟有‘固有周期’”的理念;实际上根本就没有人去关注“在一定的地点”这个非常关键的必要条件。

“相对论前一个根深蒂固的观念是:有了一只标准钟,不管动、静到处用”。倪光炯这话就说出了上述那个“陷阱”所带来的遗患。

推论九:摆钟根本就没有“固有周期”;除非是在空间中一个确定的位置,用于度量过程之长短的标尺,根本就没有统一而确定的标准单位。

伽利略L-T变换的t’=t是只具有实用性的近似,根本就不具有真理性!

自己家里有一台老式摆钟,每当它打点时常常会下意识地跟电视上提供的时间信息做个对比,久而久之意外地发现它走时快慢居然跟发条的松紧直接相关;出于一种好奇,我坚持做了几个月的“实验”,最终彻底动摇了以往总坚信物理原理正确无误的信念。

老式摆钟“实验”为我提供了“反向观察”的基点,“逆向思维”的结果得到一个基本上可以难倒所有物理学家的选择题:

依据确立正确的时间观制成的摆钟,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,依据物理学原理必然会选b,而实际情况则必须选a。

这个实验的结果让我自己都非常吃惊:

一台极其普通的老式摆钟,居然能够测出△g/g=10~-10的变化值。

推论十:即使是“在一定的地点”,由于发条松紧而引起振幅增减所导致△g的极小量变化,都会直接影响周期T不能固定;足以证明摆钟是根本就不存在“固有频率”的。

《论动体的电动力学》指出来的钟会变快或变慢,千真万确是“物理效应”而不是“观测效应”。

对于原子钟,“实际的GPS系统……地面钟A的频率为10.23MHz,卫星钟B……要调慢0.04567Hz”—— 星上钟和地面钟的频率不同才可以“实时同步”,已经确定地告诉我们:钟的快、慢是物理效应,根本就不是观测效应。

 

伽利略说:

“考虑到这些,我开始相信:那些抛弃从吃奶时就被灌输的并为大多数人所信仰的见解,转而接受一种被所有学派排斥的并只有少数人相信的见解的人,他们即使不是被迫承认,也必然是被有力的论据所打动”。

关于钟具备“固有周期”的观念,是从中学时期刚接触“周期”这个概念 “就被灌输的并为大多数人所信仰的见解”;现在我们已经有了足够“有力的论据”,高中《物理》教材必须予以彻底修正,已经成为迫在眉睫的紧迫任务。

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