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李淼的博客

惯性参照系

 
 
 

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2009-06-07 20:54:21|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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(《新发现》专栏,勿转)

我过去写过一篇专栏《时光之箭》,谈的是时间的箭头,即时间流动的单向性。我们记得过去,却不知道未来;泼出去的水收不回来,煮熟的鸡蛋不能还原成 生鸡蛋;人类由小长到大,渐渐衰老,却不能返老还童。这些日常看到的现象都说明时间的单向性,这是时间最为有趣也最为深刻的特性。

但是,撇开时间的单向性,我们想问,在物理学中,时间究竟是什么?很遗憾,直到今天,除了一些操作性的定义,我们并不知道时间究竟是什么。时间的操 作定义与人们心理上感到的时间很类似,也就是说,当我们感到变化,我们觉得时间流过,或时间在流逝。所以,时间和变化即运动有关。为了量度时间,我们需要 找到可以信赖的运动,例如天体在天空中的位置的变化。一天,就是太阳升起落下和再升起,或星星在天上东升西落一个周期。一月,是月相变化的一个周期。一 年,是地球绕着太阳运动的一个周期。所有这些都和周期运动有关。有时,我们觉得这样定义的时间并不准,这和周期是否是严格的有关。现代授时技术已经用到了 原子钟,这是基于某些原子的跃迁频率。

以上时间的操作性定义基于一个假定,即时间的均匀性,或某种周期运动本身的均匀性。这看上去有点同义反复,但并不完全是这样。时间的均匀性和时间的 另一个性质密切相关,就是物理定律在时间上的“平移不变性”,一个物理定律在一万年前是如此,一万年后也是如此。周期运动是物理定律的一个结果,所以周期 运动的一个周期是均匀的。在牛顿力学中,时间是均匀流动的,在爱因斯坦的狭义相对论中,时间同样是均匀流动的。时间的均匀性和物理学中另一个深刻的现象有 关,就是对称性意味着一个守恒的物理量。物理定律在时间上的平移不变性是一个对称性,其对应的物理量是能量,能量守恒和时间平移不变性是同义语。我很难用 一个形象的办法解释为什么时间平移不变蕴含能量守恒,我们可以将这个关系作为物理学的一个结论接受下来。当然,如果你接受量子力学的一个基本定律也能理解 时间和能量的关系。在量子力学中,频率与能量成正比,那么,时间的均匀性意味着频率的不变性,也就是能量守恒了。

在物理学中,无论是牛顿力学体系还是爱因斯坦的狭义相对论,空间也是均匀的,就是说,你在一个实验室发现的定律,在另一个实验室同样适用。空间的均 匀性也意味着一个守恒量,就是动量守恒。我们同样可以利用量子力学解释两者之间的密不可分的关系。在量子力学中,动量与波长成反比,如果空间是均匀的,那 么一个波长传播到另一个地方波长不变,意味着动量守恒。

在牛顿力学体系中,时间独立于空间均匀地流逝,即使牛顿力学具有伽利略相对性,但这里的相对论性只涉及到空间,不同惯性参照系中的空间不同,时间却 完全一样。在狭义相对论中,时间不再是完全独立的,新的相对性原理要求不同参照系中的时间和空间都不同,在从一个参照系变到另一个有相对速度的参照系时, 时间和空间之间有线性变换。但是,即使在狭义相对论中,时间和空间还是完全不同的。例如,一个参照系中静止的时钟标志的两个不同的时间被看成两个事件时, 在另一个参照系中不会变成同一个时间在空间上不同点的事件。用专业的术语说,类时间隔的事件不会变成类空间隔的事件,反之亦然。

在没有引力的情况下,时间和空间看起来是一种先天的存在,尽管在相对论中这种存在和运动以及事件不能分开。当引力介入时,我们应该采取爱因斯坦广义 相对论的观点,不能再认为时间和空间与其他存在无关。在粒子理论中,其他存在无非是场或粒子。广义相对论告诉我们时间和空间像粒子和场一样,是由动力学决 定的,一直在变化、弯曲。时间和空间的量度本身不是给定的,而是演变的。但是有一点广义相对论也没有完全改变,就是事件的集合形成的连续体本身似乎有某种 意义上的独立性,虽然事件之间的时空关系(是类时间隔还是类空间隔,以及量度)不能独立于物质。

和现代引力理论一样,量子力学也给予时间特殊的地位。在决定波函数演化的方程中,时间被单独地挑出来。波函数决定一个物理系统的一切,含有在一个给 定时间系统的全部信息。如果我们想得到该系统在另一个时间的全部信息,我们用到波函数在时间中的演化方程。有人试图将演化方程“协变化”,即把时间和空间 尽量放在同等的地位,时间依然与众不同。如果我们将引力和量子力学结合起来,会发生让时间显得更为独特的事情,因为时间和空间本身也是动力学变量,我们不 再有演化方程,我们只有“静态”的方程,这个“静态”方程决定的波函数其实隐含着时间,因为时间只是波函数中的一个动力学变量。但是,如果我们试图给予波 函数一个物理解释,我们似乎不得不挑出某一个变量作为时间(例如宇宙的平均大小,或者某处的一个变量如你们家的时钟)。从这个角度来看,尽管可以用几乎是 “任意”的变量来作为时间。但一旦将这个时间取好了,这个时间就是标志整个宇宙的时间,有某种意义上的“绝对”性。

对时间是否是绝对的目前还存在争论。多元宇宙观点认为我们的宇宙只是时空上相互连通的很多宇宙的一部分,我们原则上不能与多元宇宙中的其他部分建立 联系。既然不能建立联系,谈我们的时间就是他们的时间就变得没有意义,也就是说,多元宇宙不同的部分有着独立的不同的时间。最近,Lee Smolin开始反对多元宇宙,认为宇宙中只有一个时间。上面提到的量子力学和引力的结合的结果似乎支持Smolin的观点(这样也就不该存在多元宇 宙)。不过,我们对宇宙波函数的物理意义并不清楚,所以,现在就排除多元宇宙似乎为时过早。总之,时间在物理学中任然是一个最难以理解的概念。

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