时间有什么独特的性质？

　　上下四方曰宇,古往今来曰宙。请随我们进入“时间”的故事。

　　时间与空间的不同点在于时间的“流逝性”。因此，时间有一些独特的性质，但究竟独特在什么地方？很多人并不能全面的回答。 时间独特的地方在于看不见摸不着，但又是客观存在的。如果仔细观察，我们就能看到时间的痕迹，感受到时间的作用。 有一个关于时间的谜语：有个东西，它在你身边，但你却看不见、闻不着、抓不住、也尝不了。这个谜语充分说明了时间最独特的性质，它主要体现在三个方面。

　　首先，时间不能通过生理感觉感知。我们可以看到长度，也可以感觉到质量和温度。但对于时间，看不见、听不到、闻不着、也尝不了，只能通过观察时间引起的变化来感受时间的存在。

图1. 温度可以被感受（图源：作者）

　　其次，时间只有一个方向。对于长度，我们可以从西安到北京，也可以从北京到西安。如果我们要称重一堆物体的重量，可以从这一堆里的任何一个开始，也可以反反复复的称重。但对时间，我们只能处于现在：过去的现在、现在的现在和将来的现在。

图2. 在小路任意点都可以往各个方向走

　　第三，时间是不断变化的。我们可以给朋友写信，问他家的桌子有多宽、两家距离有多远，他会回信告诉你，这些信息在你收到回信后仍然有用。但如果你问他家的表是几点了，他写回信可能会非常头疼，因为在他写下时间的那一刻，时间就改变了。

图3. 写不出正确的时间（图源：作者）

　　时间虽然看不到，但它始终围绕着我们、无处不在，只要留心，我们就可以感受时间。一个呀呀学语的孩子，如何成长为妙龄少女，又变成耄耋老人？一个种子，如何变成一颗嫩芽，从开花到结果。这些都让我们感受到时间的流逝。

图4. 上：“时间”让一个呀呀学语的孩子变成耄耋老人；下：“时间”可以让一粒种子开花结果（图源：作者）

　　感受时间，难免会加上主观感觉，不同的人对时间的感觉是不一样的。相谈甚欢的恋人觉得时间稍纵即逝，但监狱中的犯人却是度日如年。

　　这就是时间的特性，是独一无二的。

图5. 对时间的感受，有稍纵即逝，也有度日如年（图源：作者）

　　在现代，时间通常和频率联系在一起，统称时间频率。时间频率目前是实现测量精度最高的物理量。时间频率信号可以通过电磁波传播，直接应用于科学研究和工程技术。基于此，高精度时间频率已经成为一个国家科技、经济、军事和社会生活中至关重要的参量，关系着国家和社会的安全稳定。

　　时间的单位秒作为七个国际基本单位制之一，也是目前能实现的测量精度最高的一个量。现代量子频标的出现和电子技术的进步，极大地提高了时间频率计量测试的稳定度和准确度，更使之遥遥领先于其他量值的计量水平。

　　由于极高的测量精度和直接传递的特性，从而使时间频率计量成为其它量值计量向着量子基准转化的先导。在1983年第17届CGPM会议的决议中重新定义了“米”。以前米的定义是根据国际米元器得到的，米长元器随温度、气压的环境变化而变化，精度并不高。现在定义为光在真空中1/299 792 458秒（约3.3356纳秒）所传播的距离，这极大提高了米定义的实现精度。

　　长度和时间的这种密切的关系已经被用于导航系统，全球定位系统（GPS）尤其令世人注目。其最基本的原理就是把长度的测量转化为电磁波传播时间的测量，将定位精度从基于角度测量的天文导航的几十公里提高到十米以内。 完成这种转换而重新定义的量值还有如电压单位：伏特（1990年），电阻单位：欧姆（1990年）。德国已经开发出基于时间间隔测量的电容和电阻传感器，极大的提高了电容和电阻的测量精度和便捷性。

　　在2019年的国际计量大会上，对七个基本物理量的单位重新进行了定义，所有的物理量都直接或者间接由时间的单位导出。由此可见，时间频率成为了当今物理量准确计量的基础。

　　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。

　　樊多盛，硕士，中国科学院国家授时中心助理研究员。主要从事精密时间测量、原子钟控制方法、高精度远程时间复现技术、时间频率设备测试方面的工作。