Question

时间是怎么产生的?时间的概念是什么?

Answer 1

定义：（物理学定义）时间是事件发生到结束的时刻间隔. 时间的基本概念　 　　一切宏观物质状态的变化过程都具有持续性和不可逆性,此性质是它们共同的属性,而此连续事件的度量称为时间. 目前最广泛被接受关于时间的物理理论是阿尔伯特·爱因斯坦的相对论.在相对论中,时间与空间一起组成四维时空,构成宇宙的基本结构.时间与空间都不是 　　 爱因斯坦绝对的,观察者在不同的相对速度或不同时空结构的测量点,所测量到时间的流逝是不同的.狭义相对论预测一个具有相对运动的时钟之时间流逝比另一个静止的时钟之时间流逝慢.另外,广义相对论预测质量产生的重力场将造成扭曲的时空结构,并且在大质量（例如：黑洞）附近的时钟之时间流逝比在距离大质量较远的地方的时钟之时间流逝要慢.现有的仪器已经证实了这些相对论关于时间所做精确的预测,并且其成果已经应用于全球定位系统. 　　就今天的物理理论来说时间是连续的,不间断的,也没有量子特性.但一些至今还没有被证实的,试图将相对论与量子力学结合起来的理论,如量子重力理论,弦理论,M理论,预言时间是间断的,有量子特性的.一些理论猜测普朗克时间可能是时间的最小单位. 　　根据史提芬·霍金（Stephen W. Hawking）所解出广义相对论中的爱因斯坦方程式,显示宇宙的时间是有一个起始点,由大霹雳（或称大爆炸）开始的,在此之前的时间是毫无意义的.而物质与时空必须一起并存,没有物质存在,时间也无意义. 　　从人类的开始人们就知道时间是不可逆的,人出生,成长,衰老,死亡,没有反过来的.玻璃瓶掉到地上摔破,没有破瓶子从地上跳起来合整的.从经典力学的角度上来看,时间的不可逆性是无法解释的.两个粒子弹性相撞的过程顺过来反过去没有实质上的区别.时间的不可逆性只有在统计力学和热力学的观点下才可被理论地解释.热力学第二定律说在一个封闭的系统中（我们可以将宇宙看成是最大的可能的封闭系统）熵只能增大,不能减小.宇宙中的熵增大后不能减小,因此时间是不可逆的. 　　时间定义：人类在生活中总结出时间的观念,其根源来自于日常生活中事件的发生次序.当然人们在生活中得到的绝不仅仅是事件发生次序的概念,同时也有时间间隔长短的概念,这个概念来源于对两个过程的比较——比如两件事同时开始,但一件事结束了另一件事还在进行,我们就说另一件事所需的时间更长.这里我们可以看到,人们运用可以测量的过程来测量抽象的时间. 　　在物理学中也是类似,时间是通过物理过程来定义的,首先在一个参考系（要求是惯性系,或者是非惯性系,但过程发生的空间范围无穷小）中,取定一个物理过程,设其为时间单位,然后用这个过程和其他过程比较,以测定时间. 　　但测量时间（即上述比较过程）必须有同时性概念.过程开始有一个同时性问题,过程结束也有一个同时性问题——最简单的例子：我们要求运动员在发令枪开枪同时起跑,同时计时员开始计时,并在运动员抵达终点线时计时员必须同时停止计时. 　　这个问题具体见各类相对论书籍.同时性问题,使得古典牛顿力学、狭义相对论和广义相对论有着不同的“时间”.直观概念告诉我们：任何人在事件是否同时上是可以达成一致意见的（也许某些人会欺骗别人,造成类似侦探小说或政治小说中的情形,不过这是人类“高智商”的表现,我们完全可以用测量用的仪器来代替：）,所以我们之后不说人,而说观察者）在相对论中,观察者的运动状态引起同时性的变化,或者说观察者1以v1运动,认为同时的两件事,以v2运动的观察者2可能会认为不同时——这导致时间测量的相对性. 　　从数学上说,古典牛顿力学中时间参数只有一个,所有参考系共享此时间参数.这其实就是假设所有参考系,所有空间位置可以共享同一个同时性定义. 　　而狭义相对论认为不同参考系就不同时了,即不同参考系有各自的时间参数t,其间关系由洛伦兹变换决定.广义相对论认为不同地点也会不同时,广义相对论中关于时间有比较复杂的内容,参见广义相对论书籍. 　　当然请注意：严格说这不是简简单单的“认为”,而是基于两个假设：狭义相对论是光速不变原理.广义相对论是引力本质为时空弯曲等.而这两个假设得到了实验的广泛验证. 　　上面我们说完了时间间隔测量的问题.但前面也提到：时间的先后次序是人们在日常生活中对时间的第一印象.古典牛顿力学中,这一点很容易理我们有唯一的时间参数t,所以任意两事件（一个发生在t1,另一个发生在t2）也就有确定的先后次序.那么相对论中呢?相对论中同地两事件先后顺序的确定的,这可以从洛伦兹变换直接看出.但可以肯定,相对论中不同地两事件的先后次序也是随参考系（我很愿意这么说：仪器的运动状态不同,这样能够把事情的本质说出来）不同而不同的.但这里就有一个问题：会不会有可能在参考系1中事件a先于事件b发生,且事件a的发生影响了事件b的发生（最极端的情况,使得b无法发生,譬如一个孩子杀死了他年轻的祖父）,而在参考系2中正好反过来?如果是这样,物理学乃至一切原理中最重要的一个基本原理——因果律将轰然倒塌.所以这个问题是非常重要的.让我们严格叙述这个问题：事件a发生,并发出信号（广义的信号,涵盖一切可以影响到b的方式,但由于a,b不同地,这个信号就需要一定时间的传播）,影响b.另一个参考系中正好相反.值得庆幸的是：可以用洛伦兹变换证明,只要信号速度不超过光速（最多使用光,光速）,信号就不可能先于b的发生传递到b所在位置. 　　另外说一句：狭义的另一个假设：任何物理系中物理定律有着相同形式,也是广义相对论所服从的.换句话说,参考系1中对一个物理过程加以测量,得到l1=v1t1.参考系2中加以测量同样也会得到l2=v2t2,尽管可能l1,v1,t1和l2,v2,t2都不相等.当然严格说这个例子不合适,因为v的定义位置矢量导数.但是对一些复杂的物理学定律,如麦克斯韦方程组,这个假设就很重要了. 　　时间箭头 　　下面说说时间箭头.在以上的讨论中,我们从时间间隔和先后次序两方面讨论了时间,却忽略了时间很重要的一个特性：时间箭头.子曰：逝者如斯夫,不舍昼夜.人生百年,逝去就没有重生的余地.但覆水难收的又何尝仅仅是人生!物理学理论告诉我们：凡是与热现象相关的物理过程,都是不可逆的.这里的不可逆,不是绝对意义上的不可恢复,而是说：这些物理过程产生的结果不可能在不造成其他影响的情况下完全恢复.这就是大名鼎鼎的热力学第二定律. 　　下面给出两个热力学第二定律的表述： 　　1.低温热源不可能将热量自发传递给高温热源（或不可能从低温热源将热量传递给高温热源,并不产生其他变化） 　　 时间的表现2.不可能从单一热源吸热完全转化为机械功,并不引起其他任何变化. 　　可以证明两表述等价.后一个表述有明显的工程痕迹——这来源于对蒸汽机一类将热转化为功的工程机械的研究.这些研究大都与当时那个工业革命的时代相联系,在今天已经没有太多纯理论的价值,但却有一种东西,虽然主流研究已经基本绝迹,还是有非专业学者前仆后继地加以研究,那就是第二类永动机.第二类永动机是这样一种机器——给它一定能量,让它开始运行,接下来它可以将由于摩擦等耗散因素耗散掉的能量全部吸收,接着再将这些能量投入回机械的能量循环.这样的一个永动机如果造出,就意味着我们有办法用今天开采出的能源维持机械的永恒运动（因为一切耗散掉的能量都可以重新利用）,使得世界以现今的能耗速度运行到世界末日!但热力学第二定律很明确地告诉我们：这是不可能的.耗散掉的能量（内能）绝不能完全转化为耗散前的形式（机械功）,这破坏了无论古典牛顿力学还是相对论中的,基本原理的无时间方向性.那么这是为什么呢? 　　熵 　　为了理解这一点,我们必须引入熵的概念.由于在经典热力学中,引入熵的概念需要很多技术性内容,这里不加赘述,可以参见任何热学教本.这里只给出熵的一个性质：任何绝热（也就是孤立,不被外界所影响）热力学过程,只要初始状态和末态是平衡态（经典热力学中熵对平衡态才能定义,对于这一点的误解,曾导致了热寂说）,末态的熵一定大于初态的熵.简单说,孤立体系向着熵增加的方向发展.注意,一般热学书中会说：不可逆绝热过程熵増,可逆绝热过程熵是不变的.但其实可逆过程不是真实存在的过程——真实存在的宏观过程,只要其中分子有热运动,过程就是不可逆的.（在超流等现象中,存在可逆宏观过程,但这时超流部分没有热运动） 　　但熵究竟是什么?玻尔兹曼用一个公式告诉了我们S=klnw,其中k为常数,w为热力学概率（关于物质的分子、原子运动的量,在经典热力学的情况表征体系混乱程度的量）.他用统计方法证明了,平衡态下这个公式给出了前面所说的熵.也就是说,在经典热力学的意义下,熵意味着事物朝混乱的方向发展.当然需要指出的是,并非所有情况下,这种发展都可以称之为“混乱”.比如宇宙从远古的浓汤状态演化到现今的星系结构. 　　但是需要指出的是,熵并是否意味着绝对的时间箭头还并不清楚,因为越来越多的实验告诉我们：熵并非恒增.其实这并非新论,玻尔兹曼当时就前段时间一个实验实现了10^(-1)s数量级的熵减,也就是说在零点几秒的时间内,测量到了系统的熵减.这是怎么回事呢?第一点,统计方法得到的熵增加只是平均意义上的增加,也就是说存在熵减小的概率,只是概率非常之小,以至于我们基本观察不到熵减的情形.第二,也是更有争议的一点是实际上,玻尔兹曼用统计方法证明S必定增加时,采用了分子为刚性球体的假设,并用到了近似.这并不是很能让人信服.现代系综理论（其创始人为著名物理学家、化学家吉布斯）研究表明,必须对时间参数t或空间参数取取某些“粗化”,或者说,将我们对时间或空间观察的精度降低,才能得到熵增加的结论.