對(duì)時(shí)間的正確認(rèn)識(shí)

對(duì)時(shí)間的正確認(rèn)識(shí)蘇州大學(xué)物理系老校友朱德生時(shí)間，是人們?cè)谌粘Ｉ钪薪?jīng)常遇到的問題。時(shí)間是什么？一般人是將時(shí)間與“天”聯(lián)系起來的，最通俗的說法是，太陽早晨從東方升起，傍晚由西方下落，至次日再升起，就是一天。而科學(xué)的說法是，地球繞自身旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間就是一天。而一天的二十四分之一，就是1小時(shí)。1小時(shí)的六十分之一為1分，1分的六十分之一為1秒。地球繞太陽公轉(zhuǎn)一周，稱為一年。1年與1天的關(guān)系是，1年-365.25日。這種對(duì)時(shí)間的理解，是一般人對(duì)時(shí)間概念的認(rèn)識(shí)。在國(guó)際上，為統(tǒng)一全世界人們對(duì)時(shí)間的認(rèn)識(shí)，在1960年以前，由國(guó)際計(jì)量大會(huì)（CIPM）確定的：1秒為平均太陽日的1/86400.即1Second（秒）=1/86400MeanSolarday（平均太陽日）.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已將1秒精確定義為，銫133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間躍遷，對(duì)應(yīng)的9.192.631.770個(gè)振蕩周期的時(shí)間。時(shí)間究竟是什么？經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為，時(shí)間和空間是記錄物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（位置、速度和加速度）的物理量。若能夠測(cè)定一個(gè)物體在某一時(shí)間間隔內(nèi)，所在空間的位置變化狀況，則就能利用物理學(xué)知識(shí)，確定它在某一位置的速度和加速度，以及它以后的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。所以，時(shí)間是物理學(xué)中一個(gè)極其重要的物理量在具體的演算中，物體所在的空間，用x、y、z三個(gè)直角坐標(biāo)，或r,9,中三個(gè)極坐標(biāo)表示.而物體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，則用，表示。在物理學(xué)上，還將空間的三個(gè)坐標(biāo)稱為三維，而將時(shí)間稱為第四維。經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為，物體在三維空間中所占有的體積的大小，以及在空間中運(yùn)動(dòng)所用的時(shí)間的長(zhǎng)短，都是絕對(duì)的，它們不隨物體的運(yùn)動(dòng)速度變化的而變化。后來，愛因斯坦(Einstein)根據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)，提出的狹義相對(duì)論認(rèn)為，物體在三維空向中所占有體積的大小，以及在空間中運(yùn)動(dòng)所用的時(shí)間的長(zhǎng)短，都是相對(duì)的，它們會(huì)隨物體的運(yùn)動(dòng)速度而發(fā)生變化。為了說明狹義相對(duì)論關(guān)于時(shí)間隨物體的運(yùn)動(dòng)速度變化的論述，在地球上建立直角坐標(biāo)系、，相應(yīng)的坐標(biāo)軸為x,y,z.運(yùn)動(dòng)物體以速度。，沿x軸向,背離或向著，系的坐標(biāo)原點(diǎn)運(yùn)動(dòng).與運(yùn)動(dòng)物體相連的坐標(biāo)系S*,它的坐標(biāo)軸X*,y*,z*與x,y,z兩兩相互平行.由狹義相對(duì)論可得出的地球上的時(shí)間間隔Z=氣-\與建立在運(yùn)動(dòng)物體上的坐標(biāo)系s*中時(shí)鐘記錄的時(shí)間At*=t*-1*是不一樣的。地球上時(shí)鐘的讀數(shù)：At=t*-11，與運(yùn)動(dòng)物體一起運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘的讀數(shù)：At*=t*-1*的關(guān)系為At=At*/Z 或21 "2c*At*=1-u2/'At。由上式知道，同運(yùn)動(dòng)物體一起運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘記錄的時(shí)間，要比靜止在地球上的時(shí)鐘記錄的時(shí)間要少。也就是說，在地球上的人過了一天，在運(yùn)動(dòng)物體上的人，只過了幾小時(shí)，甚至只有幾分鐘。運(yùn)動(dòng)物體的速度U越大，運(yùn)動(dòng)物體上的人，過的時(shí)間更短。這就是狹義相對(duì)論得出的結(jié)果，也是人類對(duì)時(shí)間首次有了較為正碓的認(rèn)識(shí)。愛因斯坦提出廣義相對(duì)論后發(fā)現(xiàn)，時(shí)間還受引力作用的影響。人類生活的地球，處于茫茫的宇宙中，地球上的人到宇宙中航行時(shí)，會(huì)受行宇宙中星體的引力作用。與宇宙飛船一起運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘，由于引力的作用，它記錄的時(shí)間，或在宇宙飛船上的人感覺的時(shí)間，要比地球上記錄的時(shí)間，或地球上的人感覺的時(shí)間要短得多。關(guān)于這個(gè)問題，應(yīng)用愛因斯坦的廣義相對(duì)論的場(chǎng)方程，可以計(jì)算出來。設(shè)宇宙飛船以速度。，向質(zhì)量為M的星體運(yùn)動(dòng)，在地球上的觀測(cè)者認(rèn)為，宇宙飛船已經(jīng)運(yùn)動(dòng)了很長(zhǎng)時(shí)間Ar，而在宇宙飛船上的人感覺到的時(shí)間，或宇宙飛船上的時(shí)鐘記錄的時(shí)間&為At=c!(1-2GM)[1-(1-2GM)一2己]AtN c2r c2r c2顯然At<At。即宇宙飛船經(jīng)歷的時(shí)間，要比地球上經(jīng)歷的時(shí)間短。引力作用會(huì)影響時(shí)間的快慢，最有說服的例子是黑洞。黑洞因自身強(qiáng)大的引力作用，它會(huì)不斷吸收它周圍的宇宙物質(zhì)。但這個(gè)黑洞的物理現(xiàn)象，以及它形成的物理機(jī)制，一開始就受到人們的質(zhì)疑。這因?yàn)椋诘厍蛏系挠^測(cè)者，觀測(cè)到黑洞吸收它周圍的宇宙物質(zhì)的時(shí)間，是一個(gè)無限長(zhǎng)的過程。關(guān)于這點(diǎn)，可應(yīng)用愛因斯坦的廣義相對(duì)論的場(chǎng)方程，和物體在引力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)方程，可計(jì)算出黑洞周圍物質(zhì)被黑洞吸引進(jìn)黑洞的時(shí)間。地球上觀測(cè)者觀測(cè)到的時(shí)間t為t=-理log（r-理）+常數(shù)c2 c2式中，,是黑洞的臨界半徑（即恒星演化成黑洞應(yīng)滿足的半徑），M黑洞的質(zhì)量。從上式知，當(dāng)rT￥，tT8，即，在地球上觀測(cè)到的黑洞周圍的物質(zhì)，被黑洞吸進(jìn)黑洞，或運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)到黑洞的臨界半徑％=^GM的時(shí)間是無窮大。正因?yàn)槿绱耍谏鲜兰o(jì)當(dāng)一些科學(xué)家提出黑洞理論時(shí)，會(huì)遭到許多人的質(zhì)疑。認(rèn)為宇宙中根本不存在黑洞。后來，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，與運(yùn)動(dòng)物體一起運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘記錄的時(shí)間不是無限的，而是有限的。設(shè)運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)到黑洞的臨界半徑r的時(shí)間為c，通過計(jì)算可得： ^=-c[k2-（1-2GM）]-2TOC\o"1-5"\h\zdr c2r由上式知，當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體離M的距離r趨近至r0=理時(shí)，0 c2dc c. . dcdr趨近至-k（r隨時(shí)間c增長(zhǎng)變小，故詼＜0，為負(fù)值）。艮Pc被黑洞吸引的物質(zhì)，到達(dá)黑洞表面的時(shí)間為cQkr0。所以，與運(yùn)動(dòng)物體一起運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)者，他測(cè)得的時(shí)間匚是有限的。由此可知，某些恒星演化黑洞后，由于它的強(qiáng)大的引力，它能不斷的吸收它周圍的宇宙中的物質(zhì)。由此也可證明宇宙中確實(shí)能存在黑洞?，F(xiàn)在，宇宙學(xué)家已經(jīng)在宇宙中拍攝到黑洞的照片，再次證明宇宙中存在黑洞。理論也證明，恒星只要滿足特定的條件：七羿（二為恒星演化收縮到最后的半經(jīng)，"為恒星的質(zhì)U量），恒星最后就會(huì)塌縮成黑洞。引力場(chǎng)的引力作用，本質(zhì)上是引力場(chǎng)將它周圍的時(shí)空，扭曲成曲率極大的時(shí)空。因而，如果某些物體進(jìn)入了曲率極大的時(shí)空，與這些物體相連的時(shí)鐘就會(huì)走慢，記錄的時(shí)間會(huì)比地球上記錄的時(shí)間要少得多。我國(guó)古代的神話故事里，常有天上方一日，地上已數(shù)年之說，從現(xiàn)代的科學(xué)觀點(diǎn)來看，是有道理的。曾經(jīng)有過報(bào)導(dǎo)，說是一架1955年7月2日從紐約起飛的客機(jī)，經(jīng)過35年才降落在委內(nèi)瑞拉某一機(jī)場(chǎng)。飛機(jī)上的人卻認(rèn)為，才經(jīng)歷了幾個(gè)小時(shí)，而且仍與上飛機(jī)時(shí)一樣年輕，而地球上的人卻已過去35年，他們的親人也都已老了。這飛機(jī)及上面的人，為什么會(huì)這樣？從物理學(xué)的角度來分析，是這架飛機(jī)在飛行中，誤入了時(shí)空曲率極大的時(shí)空。如何才能正確理解我們經(jīng)常遇到的時(shí)間？應(yīng)該同物體的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來。時(shí)間是與物體的運(yùn)動(dòng)相關(guān)的物理量，離開了物體的運(yùn)動(dòng)談時(shí)間，是沒有意義的。地球上的人說的時(shí)間，是以地球運(yùn)動(dòng)相連的時(shí)間。在宇宙中以幾乎接近光速高速飛行的宇宙飛船上的時(shí)間，或者在空間曲率極大的宇宙區(qū)域飛行的宇宙飛船上的時(shí)間，是宇宙飛船上的時(shí)間，不能同地球上的時(shí)間等同起來。它經(jīng)歷的時(shí)間，要比地球上的時(shí)間短得多。所以，將來人類乘坐寧宙飛船