关于时间的一些思考

关于时间的一些理解

摘要：

关于时间的概念最初来源于人们的生活实践，因此不可避免的受到生活经验的束缚。而相对论和量子力学，特别是相对论的出现让时间的概念发生了伟大的变革。但人们对于时间的理解还是过于保守地将时间作为四维时空中特殊的一维，为什么不能用表示其他三维的方法来表示时间呢？很普通的打点计时器就做到了。时间、空间应该是一体的，时空四维在本质上应该是没有区别的，那么我们就可以用统一的方法和单位来表示时空中的四维。

关键词：时间；时空；三维空间；四维时空；双生子佯谬；祖父悖论；外祖母悖论

引言：

在新的时期，科学的发展也面临着挑战，其中关于时间的问题，虽然在上世纪已经发生了重大变革，但却不彻底，时间的问题还需要更加深入的思考，本文正是为了阐述一种新的时间认知方法。

正文：

时间是人们在生活过程中所认识的一种量。它看不着，摸不到，但在人们的日常经验中，时间是具有以下性质的：

1、有方向性，即时间的流逝是有方向的，且方向是唯一的，不可变的；2、独立性，即时间的流逝是独立的，不因为我们的世界变化而变化，不受人为控制的；

3、均匀性，即时间的流逝是均匀的，这里的均匀是指在任何时间、任何地点时间的流逝都是以相同速度流逝的。

4、连续性，即在任意时刻都存在时间的均匀流逝，而不会时间的间断现象。可以说这种时间的概念自从出现，一直到现在，在我们的日常生活中都扮演着非常重要的角色。在物理学的发展中，这种概念也是发挥着重要作用的，这种时间概念是牛顿力学成立的一个基础。但是在19世纪末牛顿力学面临重大挑战，特别是关于真空中光速不变的发现更是与牛顿的相对运动和相对速度相冲突，为了解决光的问题，人们不得不引出“以太”的概念。但随着对“以太”的探索，促使了相对论和量子力学的诞生，使人们抛弃了“以太”，也使得人们对时间的认识发生了翻天覆地的变化：

1、时间不是独立的，而是和三维空间一起构成了四维时空；

2、时间不一定是均匀流逝的，其流逝速度会随着空间中物质的分布和物质的运动状态的变化而变化；

3、时间不是连续的，它存在最小的时间单元，目前认为是“普朗克时间”，即10-43s 。

然而关于时间方向的问题似乎还是和我们传统的观点别无二致，根据热力学第二定律（即在任何闭合系统中无序度或熵总是随时间而增加）使得时间有了一个确定的方向。

无序度或熵随着时间增加是一个所谓的时间箭头的例子。时间箭头将过去和将来区别开来，使时间有了方向。至少有三种不同的时间箭头：第一个，是热力

学时间箭头，即是在这个时间方向上无序度或熵增加；然后是心理学时间箭头，这就是我们感觉时间流逝的方向，在这个方向上我们可以记忆过去而不是未来；最后，是宇宙学时间箭头，在这个方向上宇宙在膨胀，而不是收缩。1这也就是为什么我们会发现一个完好的杯子从桌子上掉下来，落到地上摔碎的过程，而不是一个在地上的摔碎的杯子突然变成完好的，然后又从地上飞起来回到桌子上的过程。

无疑，相对论的出现导致了时空观念的一场革命，使人们将时间与空间结合成了四维时空。但似乎传统的观点有点根深蒂固，使得人们依然将时间作为四维时空中特殊的一维而与三维空间相区别。我认为这完全是没有必要的，因为在四维时空中时间和我们通常所说的长、宽、高都是时空四维的四个方向（正如在空间中长、宽、高是三维空间的三个方向一样），我们没有任何理由来认为时间这一个方向是比其他三个方向更特殊的存在。所以我们完全可以向表示空间长度那样用“米”去表示时间。

在我的观点中，速度将不再是由长度与时间的比来确定的量，而是将光速c 作为一个基本量，其他速度均可表示为a*c（a 为实数）的形式，那么时间就可以用长度与c

的比来表示。下面我们做一个四维直角坐标系：

当然，上图只是一个三维坐标图，但当我们把x 、y 所确定的平面当成一个没有画出z 轴的空间的话，那么x 、y 、z 轴在四维时空中都是与t 轴垂直的。这是我们将由x 、y 和没有画出的z 轴所确定的空间称为空间A ，那么在A 中的物体的任意运动速度v （无论它向哪个方向运动）都是与t 轴垂直的。

现在我们做出一个假设：空间A 沿着t 轴以速度c 向着t 轴的正方向运动。那么，为什么这个速度要选择c 呢？因为根据相对论来看，c 是物体运动所能达到的极限速度，所以空间A 的运动速度要小于或等于c ；但若A 的运动速度小于c ，就会有可能出现A 中物质运动出A 的可能。

当我们做出上面假设后，我们就可以确定我们所说的1s 即对应着t 轴上s=299792458m的长度。那么，当空间A 沿着t 轴运动s 的距离，则空间A 中时间流逝1s 。现在设空间A 中有一物体Δ，Δ在A 中以速度v 运动，此时如果Δ在t 轴上还是以c 运动，则Δ的合速度V=c 2+v 2，此时V>c，为了使V 不大于c 而等于c ，则Δ在t 轴上的速度必须变小为v t 。

即c =t 2+v 2，22可解得v t =c −v 。

由此可看出Δ的时间变慢了。

22设Δ的静止时间是t 0，即在t 轴上s 0的长度，当Δ以v 运动时，有v t =c −v ，

此时Δ在t 轴上运动s 0的时间t =s 0，v t

t 0

1−可解得t =v

c 22。

而这就是狭义相对论给出的式子。

相信大家对“双生子佯谬”的问题都很是熟悉，那么我们来看一下这个关于时间的并且很是有趣的问题。

1905年9月，德国《物理年鉴》杂志刊登了一篇《关于运动物体的电动力学》的论文，它宣告了狭义相对论假说的问世，正是这篇论文第一次向人们传统的时间观念发出了挑战。而在1911年4月波隆哲学大会上，法国物理学家P ．朗之万用双生子实验对狭义相对论的时间膨胀效应提出了质疑，设想的实验是这样的：一对双胞胎，一个留在地球上，另一个乘坐火箭到太空旅行。飞行速度接近光速，在太空旅行的双胞胎回到地球时只不过两岁，而他的兄弟早已死去了，因为地球上已经过了200年了。但我们如果从旅行的一个人的角度，可以认为是另一人在运动，那么为什么不是在地球上的一个人更年轻呢。这就是著名的双生子详谬。

至于这个问题运用广义相对论是可以解决的，在这里我就不说了。但如果按照我们上文的假设来理解，我认为也是可以的。基于“空间A 沿着t 轴以速度c 向着t 轴的正方向运动”的假设，我们可以将三维空间中的一切运动均看作是相对于t 轴的运动。如果这样的话，我们地球在宇宙中也是不断运动的，所以我们地球上的时间也应该相对于标准时间要缓慢的。1966年用μ子作了一个类似于双生子旅游的实验，让μ子沿一直径为14米的圆环运动再回到出发点，实验结果表明运动的μ子的确比静止的μ子寿命更长。而基于这样一个事实，我们就可以很清楚地看到当双胞胎中的一个在飞船中高速运动时，那么他沿着t 轴运动的速度就必然会减小，而时间流速自然会变慢。根据这种想法，如果我们在一个相对t 轴的星球上，那么“双生子佯谬”问题我想就会是另外一种答案了——即去旅行的一个会变得更老。

那么我们再看下面一个也是十分有趣的问题——祖父悖论（有些材料中也称外祖母悖论）。这个问题大体是这样的：

如果一位旅行者通过时空旅行回到过去，并杀死了自己的祖父，那么这一行为将会危及他自身的存在，因为，如果没有他的祖父就不会有他；而如果根本就没有他，那么杀死他祖父的人又会是谁？这个混乱的时空逻辑被科学家称为“祖父悖论”。

关于这个问题的解决方法，人们提出了各种假说，其中就有关于“平行宇宙”的理论。那么根据我们上述假设又该怎样理解这个问题呢？

根据相对论来说，我们所能达到的极限速度仅能达到光速，那么根据我们上述的假设，如果一个物体的速度很快，甚至达到光速，那么它在t 轴上的速度就会减小，但最小也只能为零，却不会出现时间倒流的问题。所以我认为就不会出现回到过去的问题。我想这也应符合哲学上的观点。如果我们能回到过去，就算我们没有做出什么大事，但我们绝对会不可避免的对那时的世界产生影响，而这种影响经过“蝴蝶效应”将会有变得无比巨大的可能，而这显然会造成很多和原来历史相冲突的事件，从而对我们现在的世界也会产生无法想象的后果，从而使我们这个世界成为一个不稳定的世界，这显然是我们所无法想象的。结语：

对于我们来说，因本身不可避免地要受到三维空间的一些限制，所以时间总是显得那么得神秘。但就我个人来说，时间的神秘却更加激起我探索的欲望，所以有上文。但任何一种猜想在没有试验验证之前，没有能知道它的正误，但我想我们似乎应该改变一下我们对于时间的理解了。

【1】【英】Stephen William Hawking 《时间简史》第九章时间箭头。