漫谈时间

我国宋代大文豪苏轼有一首词《水调歌头》，其中有四句为：“明月几时有？把酒问青天，不知天上宫阙，今夕是何年？”他的前人李白也曾写过：“青天有月来几时？我今停杯一问之。”这个问题太难，以至于比他晚一千年左右的一大批伟大的物理学家也答不上来。天上宫阙这个宇宙的年龄究竟多大？那就要先知道宇宙的生日。那么宇宙诞生表示时间的开端吗？在它创生前有时间吗？一批天体物理学家观察到宇宙膨胀的事实，根据多普勒效应认为宇宙起源于大爆炸，这意味着时间必定有开端。天文学家又根据宇宙3K背景辐射认定确实存在一个早期宇宙。可是又有人认为，时间先于存在，宇宙的创生只是整个有关宇宙历史演化中的一个事件。时间无穷无尽，既无开端也无终止，即便在宇宙创生前的不稳定体也伴随着时间。

另一个关于时间的棘手问题是：时间有流逝方向吗？

如果自然界不确定时间的流逝方向，则自然定律对时间反演就不变，即科学定律并不区别过去和将来，时间就只被认为是一个简单的对照参数，因而带有人为的成分。可是宇宙在膨胀而不是收缩，人的生命死而不可复生，给出了时间流逝的方向。伟大的孔夫子早在两千多年前就在川上曰：“逝者如斯夫。”他感觉到了时间流逝的方向，在这个方向上我们可以记忆过去而不是未来，这是一个心理行为的时间箭头。

可是当一个人超凡脱俗、旷放洒脱时，就会超越时间而遗世独立。

我国南宋时期连中三元的张孝祥在1166年被谗言诬告，罢职从岭南回归老家，行舟经过洞庭湖时，看到浩渺的水面上“素月分辉，明河共影，表里俱澄澈”，“悠然心会”，感到自己“稳泛沧溟空阔”，与时空已浑然一体，他不禁扣舷独啸，发出了“不知今夕何夕”的感叹。其词全文为：

洞庭青草，近中秋，更无一点风色。

玉鉴琼田三万顷，著我扁舟一叶。

素月分辉，明河共影，表里俱澄澈。

悠然心会，妙处难与君说。

应念岭表经年，孤光自照，肝胆皆冰雪。

短发萧骚襟袖冷，稳泛沧溟空阔。

尽挹西江，细斟北斗，万象为宾客。

扣舷独啸，不知今夕何夕！

张孝祥“不知今夕何夕”的感叹使人想起爱因斯坦关于时间的看法。在爱因斯坦的狭义相对论中，光速是联系时间与空间的一个不变物理量，因而没有了绝对时间的概念，所以他说：“时间是一个错觉。”这以后，爱因斯坦又提出了广义相对论，根据这一理论，空间-时间是由于在它们中间的质量和能量的分布情况而弯曲的，光线沿着时-空的测地线进行。反过来，空间-时间的结构影响了物体运动和力的作用方式。空间和时间不仅影响着发生在宇宙中的每一件事，也被其影响。正如一个人不用空间和时间的概念不能谈宇宙的事件一样，在广义相对论中，在宇宙界限之外讲空间和时间是没有意义的。

可是从热力学看，时间不是错觉，体现大量分子集体行为的不可逆性（熵增加原理）到处可见。冰与热水混合成为温水，但温水不会自动分离成为冰与热水。生命与熵的产生相联系，是一个不可逆过程。这是一个热力学时间箭头，即在这个时间方向上无序度或熵增加。只要注意到无序和有序的区别，时间就有了方向。

而量子物理学家对于时间这个概念也感到两难的头疼，反映波函数演化规律的薛定谔方程是时间反演不变的，而测量时所导致的波函数坍缩却是不可逆过程，这正是说不清道不明的所在。坍缩过程需要时间吗？坍缩时系统的熵是如何变化的？近来人们常挂在嘴边的由量子纠缠引起的量子隐形传输需要时间吗？

怎样统一广义相对论和量子力学呢？宇宙学家（如霍金）设想，未来可能诞生的量子引力理论会证明时空是有限的，却是无边的。为此必须引入“虚”时间的概念。虚时间是不能和空间方向区分的。如果一个人能在虚时间里向前走，他应该能够转过来并往后走。这表明在虚时间里，往前和往后之间不可能有明显的差异。这与“实”时间的特质大相径庭，在“实”时间里，前进和后退方向存在着巨大的差异。

令物理学家争论不休的“时间”，在我国古人那里却有简明的阐述。古人发明的“时”的繁体字是日字旁上一个土下一个寸，表示日光普照土地，须珍惜寸光。“间”是日照入门。尽管正直的古人偶尔会发出“浮沉千古事，谁与问东流”的感叹，但古人的时间观念是很强的。古训有“一寸光阴一寸金，寸金难买寸光阴”。曾国藩则认为“做人从早起”。孔夫子则提出，根据时间的推延来修缮人的品格：“三十而立，四十而不惑，五十而知天命。”古人也很早就注意到日行影移，并发明了日晷；也会根据动物的习性确定时间，如闻鸡起舞。

那么，在科学家的眼里，时间究竟是如何量度的呢？

先规定两个相继春分点间的时间长度为一个平均太阳日，其1/86400为一个“太阳秒”。但地球的运行总有些不规则，于是人们规定铯-133辐射9192631770个周期波的时间间隔为1秒。随着科学的发展，物理学家所能测量的最短的时间是光行走10-35米需要的时间。实际上某些短命的基本粒子的生存时间也可以作为时间的度量。测量微观粒子的寿命，也就是测量其在照片上的径迹长度，即测量其能量。而根据量子力学，能量与时间乘积的不确定度大于等于普朗克常数，时间的精确量度是受制约的，但这起码说明了时间是客观存在的，它与能量共存。

在地球考古中，人们找到有放射性原子的那些物质，通过测量其半衰期，就可以推断出那种原子自进入所测物质以来所经历的时间。据此方法，人们推断太阳系的寿命已经超过4.5× 109（45亿）年。

众说纷纭的人们会求助于先知的哲学家。与有的物理学家认为时间先于存在的看法不同，哲学家通常认为时间依赖于对物质的感知而存在，时间是自然界不稳定性的反映。我们地球的年龄正是从其不稳定性而量得的。

关于地质学的时空概念，有如李白在《春夜宴从弟桃花园序》中写道的：“天地者，万物之逆旅也；光阴者，百代之过客也。”抑或说，空间系物质的客舍，而物质运动的历史则展现了时间。地质学的时间论，首先是了解地质历史。地质体可以建造、改造和转移，唯独其历史不能营造和改变。

基于广义相对论可以认为，时间的均匀性、持续性、流逝性等主要性能基本是由地球物质在空间运动中的极盛峰值量、阶段持续量、速度变化量等的演变所展示。时间、空间、物质是统一的，可以认为地质体的组成（沉积岩、岩浆岩、变质岩及其组合中的矿物、元素、同位素）和结构及演化是一个整体。可测量的表观时间（非绝对时间）是地质体变革的极强值、时限值、速度值的量度。地球的时间观或可称为地球的演化观，地质演变呈现单向性（不可逆性）及其无限延续发展的阶段性特征，以及在阶段期间的均匀性变化和阶段始末的突发性变化。

地球的生存状态由很多因素决定，但归根结底由时空决定。时间的一维绵延和空间的三维广延都是物质延展性的表现。时间的流逝可展示出地球组成结构不断地发展变化，而时空的大系统环境决定了地球演化似具周期性的螺旋式发展。依据广义相对论，人们测算现今所能认识的宇宙，已经生活了约137.5亿年（如若不认可宇宙起源于大爆炸，认为可能存在年龄比大爆炸还要古老的遥远星系，或者认为我们认识的宇宙只不过是居于一个黑洞的产物，则是另一码事）。银河系的形成稍晚一些，大约在100亿年前，地球与球粒陨石基本是同时形成的，地球生成至今约有45.67亿年的历史。

总而言之，自古至今，人们对于时间性能的关注热情未减。我们语言中的昨天、今天、明天的时间性，清晰又明确。有的人以为，中文中不带有过去式、现在式、将来式就是缺乏时间观念，这或许是欠妥的。诚然，不同民族对于时间的表达方式是存在差异的。

（与中国科技大学地球与空间科学学院刘德良合作）