成军 发表于 3 天前

深度长文解读时间的本质,时间到底是什么

深度科普:人类为什么想象不出四维空间?
在爱因斯坦诞生之前,人们普遍认为时间是一个恒定不变的量。那个年代的人们看待时间与空间是一样的,都视之为一种超越物质及其运动的先验存在,仿佛宇宙之外的旁观者,却又不认为它是实实在在的物质,它具备真实的意义。


实际上,那时的众人已经在时间问题上步入了唯心主义——既认为时间空无一物,又承认其存在。这种观点本质上剥夺了时间的物质性,从而否定了时间的真实存在,只剩下一种心理时间或称之为意识时间。

在牛顿力学体系中,时间的物理实在性显得至关重要,因为在牛顿运动定律中,引入了加速度的概念,而加速度必然与时间和空间关联。为了赋予加速度明确的意义,时间和空间必须被视为真实的存在。


然而,就如同前文所述,当时人们心中否认时间的物理实在性,牛顿也不例外,尽管他知道要赋予力学明确的意义,只能将时间和空间作为物理实在来处理。

将无形的时间与空洞的空间视为具有物理实在性的概念,对人们来说,似乎是一种苛刻的要求,历代哲学家也因此反复拒绝接受这样的假定。


他们甚至提出时间仅是人类的一种感知,并非真实存在。人们之所以对时间有所感知,主要是因为太阳的东升西落与地球的自转造成了昼夜交替、四季更替,那些计时工具如日晷,不过是这种自然现象的反映;

如果在太空的虚空之中,昼夜之分不复存在,时间的流转也变得难以感知,因此人们会误以为时间并不存在,这一观点与佛教的理念不谋而合。佛教认为时间是主观之物,源自“时间感”(与心理学时间相似),通过对往事的回忆和对未来的展望,时间的概念和其尺度得以构建。没有清晰的时间感,时间便不复存在。

因此,对佛教而言,客观时间的流逝并不真实,他们认为不存在时间的推移,没有过去、现在与未来之区别,客观时间也没有方向性,甚至可以认为它根本不存在。

到了十九世纪,热力学第二定律的发现,开始颠覆人们对时间的传统认知。

随着克劳修斯和开尔文对热力学第二定律的不同表述,人们将之概括为“熵增原理”,即孤立系统的熵永不自发减少,在可逆过程中保持不变,在不可逆过程中则增加。


所谓的熵,可以简化理解为混乱和无序。因此,熵增原理表明,世界随着时间的流逝,从有序走向无序,这种不可逆性就是所谓的时间的热力学箭头,它表明时间是有方向的。

此时,时间被看作是对客观世界的一种描述。

在爱因斯坦的相对论中,他用时间和空间的相对性解释了光速恒定的现象,从而彻底颠覆了人们心中的绝对时空观。在狭义相对论中,他首次尝试将时空与物质及其运动紧密联系在一起。

与此同时,闵可夫斯基将时间视为一种特殊的一维空间,并与三维空间并置,将这个世界视为四维时空或四维空间。爱因斯坦采纳了这一观点,将时间视为与空间等同的存在。


那么,空间是什么呢?笛卡尔认为空间与广延是等同的,而广延性是与物体关联的,因此不存在空无一物的空间。爱因斯坦在广义相对论中证实了笛卡尔的论述基本接近真理,他认为空间是作为场的结构性质而存在,空间中充满了场和物质(现代科学已证实,即使在真空中也充满了虚粒子和负能量),没有物质和场的纯粹空间是不存在的,换句话说,空间本身就是一种物质,这种“空旷”是物质的一种形式,这种空旷由宇宙中普遍存在的、本质为“运动变化”的客观实在性所构成。

空间如此,时间也是如此。世界在运动中,宇宙通过永不停息的运动变化展现着客观实在性的存在,而这种永不停息的运动变化就是时间,其衡量尺度就是时间的长短,时间是宇宙的存在形式之一,空间也是。


时间的本质在于运动变化,且具有不可逆性,而运动变化对应着物质性——运动变化的客观实在性。因此,时间也对应着物质性——运动变化的客观实在性。既然时间的本质是运动,那么物体的运动会影响到运动变化的实在性,从而影响到时间。这正是“钟慢尺缩”现象的根本原因。

通过在不同时空(不同运动速度)下的钟慢尺缩现象,可以证明时间的存在,证明时间是一种客观存在。有人认为只是钟表变慢了,而不是时间变慢了,是钟表受到了某种影响而已。

人们对时间的感知并没有变化。确实,“钟慢尺缩”现象本身是一个观察者效应,相对于观察者静止的时空中的时间并没有变化,这被称为“固有时”(相对于任何参考系静止的“固有时”都是相同的);但是,在不同的参考系中观察,固有时确实不同,确实是时间膨胀了,而不仅仅是钟“坏了”,这可以从生物的新陈代谢中看出。就如同“双生子佯谬”那样,哥哥乘坐近

光速飞船通过加速和减速变换了时空,真正将时间膨胀效应带到了弟弟的时空中,他真的来到了弟弟的“未来”,弟弟明显比他要衰老许多。


现代科学对“双生子佯谬”的解释,只需要比较哥哥和弟弟的“世界线”(闵可夫斯基四维时空中的间隔)的长短即可。当然,对于同一个事件,在任何参考系中观察的世界线是相同的。因此,在任意一个参考系中探讨“双生子佯谬”,其结论都是相同的。例如,我们在弟弟的参考系中进行讨论,下图展示了他们世界线的对比。


你可能认为曲线比直线长,那只是欧氏几何的结果,但在闵可夫斯基时空中,哥哥的曲线世界线实际上比弟弟的直线世界线短。因此,哥哥的时间比弟弟的要慢。而他们的固有时间都没有问题,弟弟经历的固有时间确实比哥哥的固有时间长,看,时间的同时性确实发生了变化,这证明了时间是真实存在的。

总结

时间是宇宙演变的刻度,也是物质真实性的印记,就像物体的维度和属性一样,虽然不是具体的物质,却是物体性质的展现和实物存在的方式,是确实存在的东西,这便是真正的时间。真正的时间具有方向性,它是不可逆转的,存在时间的指向性。这是时间的根本属性所决定的。上文所提及的固有时和世界线均属于真正的时间范畴。

另外存在一种被称为心理意识时间的现象,即我们日常经验中的时间感知。

这种时间感知也具有方向性,且与真实时间的方向性相符合。我们感知到自己沿着从过去到未来的路径前进,人们总是对过去有认知和记忆,而并非对未来有所察觉。这种相似性的原因或许是因为我们的感知形成过程中受到了热力学第二定律的影响,当然,也可能是因果关系塑造了我们探寻原因的过程,从而形成了这样的感知。不论具体原因为何,两种时间箭头都指向了同一方向,这种时间的感知是真实时间的反映,但它本身并不等同于真实的时间。

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