关于时间的基本事实

爱因斯坦在20世纪初建立狭义相对论，在这个理论中，时间和空间不再是独立的，也不再是绝对不可更改的。

一个乘坐高速飞船的人以接近光速的速度离开地球到太空中旅行一圈再回来，他的时钟就变慢了，比如说，在这个过程中，地球上的时钟也许过去了1000个小时，而他的时钟仅仅走了一个小时。同样，这位旅行者也比地球上的同龄人显得更年轻，因为他身体里的时间也变慢了。总而言之，飞船上所有物理过程都变慢了。

后来，爱因斯坦建立了广义相对论，在这个有史以来最抽象、最美丽的理论中，时间变得更加不可思议了。例如，将一只钟拿到黑洞边缘走一圈回来，你会发现时钟也变慢了。我们将在下一章解释时钟和万有引力的关系。

但是，时间还是比空间更为神秘。即使我们理解了爱因斯坦的难懂的广义相对论，我们也还没有真正理解时间。

什么是时间？物理学的解释很简单，时间就是计时。可以说，物理学的进步与计时的改善分不开。

守时与农业革命分不开，因为何时播种、何时收获等与季节有关。古人早就注意到了这些自然现象的周期性，从而制定出历法，最早的历法已经有5000年历史了。历法要做到精确，就必须精确地计量时间，但仅仅用地球自转（天）来计时，就无法将地球的公转（年）计算精确，因为这两个周期不是成整数倍的。

水钟在古巴比伦和埃及可以上溯到公元前16世纪。据说机械钟在西方可以追溯到13世纪，却没有保留下来的实物。最早的记录分（没有秒）的时钟制造于1475年，后来出现了记录秒和分的钟。

伽利略第一个注意到钟摆的运动是周期性的，他似乎也有过利用钟摆来制造时钟的想法。惠更斯计算出一秒钟对应的摆长是99.38厘米，从而制造了第一个用钟摆驱动的时钟。可见，钟表的原理和精确度与某个被利用的周期运动有关。机械钟一般能准确到一天误差一秒就算好的了，不过我们日常生活中也不需要更准确的时钟。

科学实验和高技术需要更准确的计时。戴过表的人都知道石英表，石英晶体的振动被交流电转变成电压的周期变化，这个变化被线路组成的部件探测到，这就是石英钟的计时原理。石英晶体的振荡周期与石英的具体形状和大小有关，寻常石英钟的振荡频率是32768赫兹，也就是说在1秒钟内振荡了32768次，振荡一次就是1/32768秒。如果这个振荡频率精确到个位数，那么一天下来，振荡次数的误差不大于8万次（也就是一天内的秒数），这样，石英钟的一天误差就能够保持在秒的范围。为什么选择32768这个频率呢？因为这个数字恰好是215，这是利用2进位的数字钟需要的。石英晶体的振荡频率受到温度的影响，从而影响时钟的精确性。经过温度校准的石英钟可以准确到每年误差大约是10秒钟。

我们看到，精确的计时其实都暗含了一个重要假定，就是假设了周期性运动的存在，从地球的自转，到石英钟的振荡频率。如果没有周期性运动怎么办？古代的物理学家或许没有想过这个问题。时间的存在，其本身也许就暗含了周期性运动的存在。实在不行，我们就随便定义时间，在这么做之后，再看物理学定律采取什么样的形式。

当我们说时间均匀流逝的时候，这也暗含了一个假定——至少存在某种周期性运动，它的周期不变。这样，用这种运动定义出来的时间就是均匀的，也就是说，昨天的一个周期等于今天的一个周期，也等于任何时候的一个周期。一个会动脑子的人会问，周期永远不变是定义出来的吧？这个疑问有道理。因此，如果只存在一种周期运动，我们就会说时间均匀性完全是人为定义的。

如果存在两种或两种以上的周期运动呢？比如说，一个单摆的周期，以及地球自转的周期。你可以假设地球的自转不变，昨天的一天等于今天的一天，这是定义。现在我们可以问，昨天一天中某个单摆摆动了若干次，今天是否同样摆动了若干次？如果答案是肯定的，那么时间的均匀流动就有意义了。

有趣的是，几乎所有的周期性运动的周期在相互比较之下，都是不变的，这是一个基本物理事实，至少在所谓惯性参照系中是成立的。时间的这个特点确实是一个奇迹，也就是说，时间真的是均匀流动的。

《三体》中出现了人类的计时，也就是地球的计时方法，另外也出现了三体人的计时。例如，《三体Ⅰ》中就直接出现了三体时：“在以后的两个三体时中，监听员知道了地球世界的存在，知道了那个只有一个太阳，永远处于恒纪元中的世界，知道了在永远风调雨顺的天堂中诞生的人类文明。”当然，作者没有告诉我们一个三体时相当于多少地球时，不过，既然出现了三体时，作者就假定这两种时间是可以对比的，而且两种时间都是均匀流逝的。《三体》中没有出现三体日和三体年，因为在作者的假设中，由于该星系有三个恒星存在，三体行星的运动不是周期性的，事实上是混乱的，所以才有乱纪元。

在《三体Ⅲ》中，还出现了神秘的时间颗粒，这是毁灭了人类文明的“歌者”和“长老”所属文明的计时单位。也许，一个时间颗粒对应一万年，甚至更久？

在物理学中，时间的均匀流逝使得物理学定律看起来非常简单，比如说，牛顿第二定律就不会明显含有时间。这个定律说，一个物体的加速度与这个物体所受到的力成正比，正比系数反比于物体的质量。如果时间不是均匀流逝的，那么，牛顿第二定律也许还成立，但质量可能与时间有关，一个昨天还很重的物体，今天就变轻了。

物理学定律与时间无关非常重要，因为这样一来，世界看上去就比较简单，更容易被理解。否则，我们真的很难总结出什么物理学定律，因为昨天的定律和今天不一样，“定律”中的“定”本来是恒定的意思，既然没有恒定，哪里来的定律？

也许只有物理学家和学习物理的学生知道，时间的均匀流逝还有一个重要后果，那就是能量守恒。我们很难脱离数学来解释时间的均匀性与能量守恒之间的关系，但是，有一个关键点可以帮助我们理解它们之间的关系。

这个关键点和量子论有关。后面我们会介绍量子论的主要特点，现在，我们先接受量子论中的一个重要事实，也就是，一个物体的能量有对应的自身频率。比如说，一个基本粒子越重，它所对应的频率就越大。粒子和波的二象性其实说的就是这个。一个粒子既是粒子，又是波。当一个粒子很轻时，它的量子波动特性就很明显，因为频率比较低，振动得慢。反之，一个宏观物体，比如一个手机，一本书，它们的质量都相对很大，对应的频率就非常非常高，我们就不可能察觉它们的量子振动。

现在，我们就能理解时间的均匀性与能量守恒之间的关系了。如果时间是均匀流逝的，那么一个物体的振动频率在昨天和今天是一样的，通过量子论，它们对应的能量在昨天和今天也是一样的。

很多琢磨过时间问题的人一定会问这样的问题，时间有开头吗？时间有结束吗？

看起来，这是一个自相矛盾的问题。如果时间有一个开头，我们就会问，开头之前有什么？同样，如果时间会结束，我们又会问，结束之后有什么？

其实这个问题本身并不矛盾。基督教哲学家奥古斯丁就思考过这样的问题，他认为，时间是主观的，只有当你可以测量时，时间才存在。如果在时间的开始“之前”和时间的结束“之后”，并不存在任何测量，谈时间也就是虚妄的。

在牛顿体系中，时间无始无终。时间可以无始无终，这与力学的基本定律不矛盾。但是，在热力学出现之后，无始无终的时间就自相矛盾了。比如说，我们知道，热力学第二定律告诉我们一个系统的混乱度会越来越大，如果时间没有开始，任何一个孤立系统的混乱度都是最大的，但这和我们的观察相矛盾。地球上任何系统的混乱度都不是最大的，太阳系也不是，其他恒星系统也不是。因此，如果热力学第二定律成立，时间最好有一个开始。我们同样可以问，如果时间没有结束，那么热力学第二定律是不是也预言了宇宙将趋于热寂，即宇宙将变成没有任何细节，所有系统都变成熵最大的状态？

大爆炸宇宙学确实告诉我们，时间有一个开头，也就是说，我们的宇宙开始于138亿年前，在这以前，谈时间没有意义。所以，我们不用担心如何去理解我们看到的系统都处于活跃状态。

那么，时间有结束吗？这个问题，我们留到第五章中讨论。