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2022/09/12阅读:25主题:自定义主题1

物理学的第二个基本概念:时间

如果你不问我什么是时间,我对它倒还能够意会;你一问起我,我就不知道怎样言传了。——奥古斯丁,公元400年 要说明自然界中发生的事件,除了确定它在空间中的位置外,还必须知道它发生的时刻与延续的时间间隔。时间是物理学的第二个基本概念,在物体做机械运动的问题中,我们用时间这个概念来表征物体运动过程的先后顺序。更一般地说,时间这个概念表征事物发展的持续性。按照我们的经验,时间总是沿一个方向永远向前,从过去到现在,再向未来流逝,永远不可逆转。

时间,这是一个与人类的文明历史同样久远的概念。在现实生活中,我们每时每刻都要与时间打交道,不过,在我们的意识深处,对于什么是时间却并没有一个明确的答案。什么是时间?这个问题最早出现在古希腊时期,当时,古希腊的圣贤们开始尝试探索时间的本性。然而,在那个时期,对这个问题的探索只能局限于哲学上的思辨。直到牛顿时代,才真正从科学的意义上对时间进行探讨。按照牛顿的观点,时间与空间一样,是独立于一切事物的客观存在,对时间的度量是绝对的,时间的流逝与观测者的运动状态无关。牛顿这个关于时间的观念与他的关于空间的观念被统称为绝对时空观,这个观念在 19 世纪末 20 世纪初遭遇了严峻的挑战。20 世纪初期发展起来的相对论理论摒弃了牛顿的绝对时间和绝对空间的观念,在相对论中,时间和空间成为了时空统一体的两个不同侧面,时间和空间的属性与观测者的运动状态密切相关。

尽管两千多年来关于时间是什么这个问题一直存在着争论,在现实生活中对时间的计量却是一项明确的技术,对时间的计量就是一个计数过程。凡是运动规律已知的物理过程,都可以用来计量时间,不过,通常都会采用具有明显周期特性的现象作为计量时间的基准。最原始的计量时间的基准是地球的公转、月球的公转、地球的自转和沙漏等,这些用来计量时间的方法其特点是取材容易、实现起来简单易行,但是不足之处是精确度都比较低。16 世纪下半叶,伽利略发现,单摆的摆动周期只与摆长有关,与制造摆锤的材料无关。到了 17 世纪中叶,惠更斯利用单摆的这种周期特性发明了摆钟,人类进入用机械计时的年代。用单摆进行时间计量可以将时间的计量精确度提高到 1 秒,是一种计时精确度比较高的计时方法,因此,很快就被应用到航海领域。进入 20 世纪,随着科技的进步,人们开始采用电子计时设备来计量时间。电子计时设备的主体元件是石英振荡器,它能够在电信号的激励下以每秒 10⁶ 次的频率振动,因而计时的精确度可以达到 10⁻⁶ 秒。在科学研究中还普遍使用原子计时设备计时,它利用原子和分子的固有频率作为计时的基准,精确度高达 10⁻¹⁰ 秒。在一些较为精密的测量中,还采用脉冲星辐射的周期作为计时的标准,对人类使用的常规计时工具进行校准。

对时间的量度得到的结果就是时间的间隔,在日常使用中,通常会把时间间隔简称为时间,它是物理学的第二个基本物理量。时间的计量一般用秒 (s) 做单位。长期以来,人们用地球的自转作为时间的计量基准,把地球自转 1/86400 个周期所需要的时间定义为 1 秒。不过,天文观测显示,地球的自转并不是恒定速率的,不能作为一个理想的时间计量基准。1960 年召开的第 11 届国际计量大会通过了时间计量单位的新定义,将从 1900 年 1 月 1日正午 12 时起算的一个回归年的 1/31556925.9747 定义为 1 秒。20 世纪 60 年代,对原子钟的研究已经卓有成效,由于原子钟的计时精确度极高,人们决定采用原子时做新的计时基准,在 1967 年召开的第 13 届国际计量大会上对计时单位 “秒” 做了重新定义,把静止于平均海平面高度处绝对零度下零磁场环境中的 Cs¹³³ 原子在基态的两个超精细能级之间跃迁时辐射的电磁波的周期的 9192631770 倍所持续的时间间隔定义为 1 秒。由于绝对零度是不可实现的,因此,在实际操作中,必须对环境温度做出补偿,以便将测量结果外推到绝对零度处。

自然界中的各种现象都有各自的时间标度。物理学研究所涉及到的最短的时间间隔是粒子的平均寿命,可以通过测量粒子的一种被称为“衰变宽度”的性质来确定;最长的时间间隔是宇宙的年龄,可以通过测量离我们最遥远的天体的距离确定下来。下面的表格列出了一些具有代表性的事件的时间间隔的数量级。

自然界各种事件的时标

代表事件 时间(s) 代表事件 时间(s)
Z粒子的寿命 10⁻²⁵ 自由中子的寿命 10³
Σ超子的寿命 10⁻¹⁹ 地球自转的周期 10⁵
π⁰介子的寿命 10⁻¹⁶ 地球公转的周期 10⁷
可见光辐射的周期 10⁻¹⁵ 人类文明史 10¹¹
τ子的寿命 10⁻¹³ 古人类出现至今 10¹⁴
荷电π介子的寿命 10⁻⁸ 恐龙灭绝至今 10¹⁵
μ子的寿命 10⁻⁶ 地球的年龄 10¹⁷
超声波的周期 10⁻⁴ 观测宇宙的年龄 10¹⁸
钟摆的周期 10⁰ 质子的寿命 10³⁹

我们看到,从寿命最短的粒子到宇宙的年龄,时间的计量跨越 43 个数量级,如果再加上还未能确定下来的质子的寿命,这个跨度高达 64 个数量级。

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物理

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