时间的范围有多大？

　　上下四方曰宇,古往今来曰宙。请随我们进入“时间”的故事。

　　时间的范围有多大？

　　大到超乎你的想象。自从宇宙开始就有了时间，它会一直持续到宇宙的终点。时间的范围又极小，小到不能直接测量。因为一旦测量就要影响它的特性，也就是量子力学里的测不准原理。 自然界是形形色色的，每个事件都有其持续的时间，不同事件持续时间的跨度差别极大。有些寿命极长，如天体的年龄以数百亿年计，组成原子的质子寿命更长到甚至超过10²⁸秒；有些寿命则极短，例如Z粒子的寿命只有10^-25秒。

图1. 目前已知的时间范围（图源：作者）

　　“时间”的范围非常非常大，最大值和最小值之间相差超过10⁵³倍。10⁵³有多大？从以下两个例子就可以看出来：

　　一粒米只有1毫米大小，10⁵³粒米放在一起，组成的球比太阳系都要大！有成语说轻如鸿毛，鸿毛再轻也有质量，如果鸿毛的质量0.001克，10⁵³根鸿毛集中在一起，不但比地球重的多，甚至比1亿亿个太阳还要重！从这些例子里，对最大时间和最小时间的差别，可以窥知一二。

图2. 极大和极小的差别。10⁵³粒米集中在一起比太阳系都大（图源：作者）

　　时间如何测量？

　　这么大的时间和如此小的时间是怎么测量出来的呢？科学家有科学家的办法。测量天体的年龄，先测量天体能量的损耗速度和该天体的质量，然后根据质量和能量转换关系估算天体的寿命。这和吃饺子有点象，一盘10个饺子，一分钟吃一个，我们只要数一下剩几个就知道过了几分钟，天文学家可以测量数百万年到数百亿年之间的时间间隔。

图3. 如果按1分钟吃1个饺子计算，吃完一盘饺子需要10分钟（图源：作者）

　　测量地球的年龄、岩石的形成时间，一般采用放射性元素衰变法，并由此形成了一个专门的学科——地质纪年学。放射性元素的衰变速度是恒定的，在岩石中测量放射性元素已经衰变的质量和没有衰变的质量，两者相比就可以确定岩石的年龄。用这种方法估算出地球年龄大概是45亿年。

　　测量古生物的时代，利用的是古生物的生理节律。例如，古动物生活时期所处环境影响到古动物的生理特征，这些生理特征会影响到古动物的生长节律，也就会在骨骼、贝壳等的外部形态和内部结构上铸成各种花纹和图样，这些花纹和图样是古生物生理节律的记录。当研究了古生物化石上反映的生理节律以后，对照现代同一生物的生理节律，并与现代计时方法比较，便能推断古生物时代的时间记录，这就是古生物时钟。古生物时钟证实了地球速率长期变慢的论断。研究这种时间测量方法的科学是古生物节律学。

图4. 化石是现代人读取古代时间的钟表（图源：作者）

　　日、月、年、世纪的测量属于天文学历法的范畴。历法实质上是根据地球绕日公转周期和地球绕轴自转周期来测量时间的，这两种运动反映了地球上四季和昼夜的交替，其规律与人类活动密切相关。但由于这两种运动没有成整倍数关系，如何照顾四季和昼夜这两种现象，便构成了编制历法的基本任务。

　　现代时间测量，并不是指上述的广义时间测量，而是指小于天的时间间隔测量，对于一些专业天文台和物理实验室，时间测量的概念是秒以下时间间隔的测量。目前，这些实验室能直接测量的最高精度大约在飞秒量级。

图5. 年轮也是一种测量时间的钟表（图源：作者）

　　更小的时间是粒子的寿命，指粒子从产生到衰变为止平均的存在时间。对于长寿命粒子，可以通过粒子在云室中运动轨迹的长度确定其寿命。对于寿命小于10^-20秒的短寿命粒子，粒子的能量（质量）有一个不确定度的范围，这个范围称为衰变宽度，衰变宽度与粒子的寿命成反比，测量粒子的能量（质量）分布就可以推算粒子的寿命。

　　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。

　　刘娅，中国科学院国家授时中心研究员，时间频率测量与控制研究室副主任，博士生导师；陕西省青年科技新星。主要从事精密频率测量技术与仪器、高精度时频信号产生与传递等方面的研究工作。