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时间从何而来?

来源:光明网2021-01-14 11:28

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  上下四方曰宇,古往今来曰宙。请随我们进入“时间”的故事。

  时间是什么?时间从何而来?

  这是很多人都在思索的问题,也有很多人对时间表示疑惑,不知道为什么会有时间。在科学和技术上,时间的概念非常明确,就是人们为了分辨事件先后顺序而设定的一个坐标。这个问题的解释要从宇宙的起源开始。

  宇宙大爆炸

  宇宙创生之前,没有空间也没有时间,只是一个“点”。这个“点”的体积无限的小,但质量非常大,引力也异常的大,以至于连光线都被吸在里面发不出来。人们目前所知道的物理定理在这里都是失效的,我们把这个“点”叫做奇点。 奇点静静的漂浮在那里,没有人知道它为什么在那,也没有人知道它要干什么。 突然,“砰”的一声,奇点爆炸了,这下可热闹了!原子核、电子等形成物质的各种基本粒子,一个接一个的产生了。这些粒子相互碰撞、相互结合、相互分离,慢慢的产生了各种物质。随后,我们现在看到的星系也逐渐产生了。由于爆炸的冲击,这些星系一个接一个的远离爆炸的中心。

时间从何而来?

图1. 奇点大爆炸(图源:作者) 这个过程,就好似推翻的多米诺骨牌一样的连锁反应,一个事件导致另一个事件发生,然后慢慢的,就形成了我们的这个宇宙。

  “时间”的提出与定义

  在宇宙演化一百三十多亿年后,产生了人类。从此,这个宇宙就不平静了。有一天,两个人遇到并激烈的争论起来,因为有一件事,他们统一不了意见。一个人说:“是这朵黄色的花先开的,那天我打死了一只野猪。” 另一个说:“是这朵红色的花先开的,那时候我正在这朵花旁挖地。”

时间从何而来?

时间从何而来?

图2. 提出“时间”的原因是比较先后顺序(图源:作者)

  他们争论了好久都没能统一,只好去找族长,看族长有没有什么办法分出先后。族长听了沉默不语,仰头看着天空,静静的想了好半天,语重心长地说:“出现这个问题也不奇怪,那是因为我们没有定义出时间。如果有了时间,我们只需要说出每件事发生的时间坐标,就可以比较它们发生的先后顺序了。” “那么,族长,我们为什么不创造“时间”呢?” “是呀!人类需要一个时间。”

  1、时间的性质族长开始忙碌起来,他要创造时间!族长集中了部落里的几十位先知,成立了一个时间局。经过他们绞尽脑汁的思索与冗长的讨论后,给出了时间的三条性质:

  第一条:时间的作用是打标记。制定时间是为了要干什么?就是为了给一个事件打标记。通过比较两个事件的时间标记,就可以知道事情发生的先后顺序。 第二条:时间要被大家所承认。首先,我们部落内部的活动,大家要使用同一个时间标准。如果不使用同一个时间标准,譬如张三和李四,那么他两人对同一个事件的标记就无法进行比较,如此就失去了时间的意义。

  其次,等将来我们几个部落之间有相互交流的话,部落相互之间使用的时间,也要一致!这样,部落之间才有对事件进行比较的可能。等将来部落扩展到全球,那就要统一全球的时间标准。 第三条:时间要能测量。我们制定一个“时间”,想让大家都能用上,那就需要大家都可以测量到它。如果人们测量不到,那又怎么能够用呢!

  2、时间的要素把时间的性质搞清楚后,时间局的任务马上就能完成了。他们很容易就确定了创造时间的方法:选一个起点,再选一个周期现象,对这个周期现象进行累计,这就是“时间”。

时间从何而来?

图3. 时间具有两个要素(图源:作者)

  时间的起点与周期

  起点的选定比较容易,可以选用某一个伟人的生日,大家后来同意确定使用耶稣的生日。至于周期现象,则让大家费了一番功夫。 树上的年轮一年长一圈,这就是一种周期现象。但大部分人并不同意使用这个周期现象,因为观测这个现象要把树砍断,难度较大。 喇叭花每天早上开放,也是一种周期现象。但冬天就观察不到这个现象了,因为不持久,所以很多人也不同意。 族长家后院有个泉水,常年累月的滴水,一滴一滴的,也是一种周期现象。但由于这个泉水在族长家,其他很多人都观测不到,也被否认了。 最后,大家一致同意,用“日”这个周期现象:太阳升起一次就是过了一天。这种周期现象较为容易观测,也能被大家所接受。这样,时间就产生了! 人们在非常长的岁月里,都在使用这种由太阳得到的时间标准进行生活。直到科技发展,人们需要更加精准的时间,才转而使用其他的周期现象,使时间的产生更加容易把控,精度更高。

  结语

  这就是时间起源的故事。人们定义出一个时间尺度,利用这个尺度作为比较事件发生先后的依据。这个时间尺度可以一直向前推到宇宙大爆炸,向后推到宇宙结束,这就给出了所有计时器具都必须遵守的参考标准。所有的计时器具都按照这个标准进行校准,这就把时间的产生转化为时间的测量。

  作者简介:李孝辉,中国科学院国家授时中心研究员,博士生导师,国家卫星导航重大专项专家组成员,主要研究时间频率测量、时间同步、卫星导航。陈瑞琼,中国科学院国家授时中心副研究员,博士,主要从事高精度时间频率测量、改进的卫星共视法研究、标准时间频率远程复现等方面的研究工作。

[ 责编:赵宇豪 ]
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