物理學與時間

吳國華 馮建兵

(1. 江蘇省平潮高級中學，江蘇 南通 226000； 2. 新疆伊寧縣第二中學，新疆 伊寧 835100)

物理學研究宇宙間物質存在的各種基本形式，它們的性質、運動、轉化及其內部結構，從而認識這些結構的組成及其相互作用、運動、轉化的基本規律.宇宙間物質存在的基本形式是空間和時間，其中空間用以描述物體的位形；時間用以描述事件之間的順序.時間和空間的物理性質主要通過他們與物體運動的各種聯系表現出來.本文略去物理學中空間的性質，因為這與物質構成的復雜結構有關，既復雜，又很有用.本文著重介紹物理學與時間的一些內容.

人類對時間的認識來源于對自然的觀察.天體運動造就了晝夜、月相、季節等有近似固定的周期，而在地球上生存與進化的生物體在進化過程中也形成了與天體運動相匹配與和諧的節律.為了使這些周期為人類所用，把握好農業、祭祀、軍事等社會活動的時機，古人設置了復雜的歷法規則，創造了以年、月、日為標度的長標度時間體系.隨著科學的進步與人類認識的提高，又進一步確定了以時、分、秒為標度的短標度時間體系.當這些時間標度被數學化、量化以后，人們對大自然觀察的時間就成為可以測量的時間.

時間的測量可以通過某種選定的物質運動過程來進行.通常所說的時間計量實際上包含了兩個既有聯系又有差別的內容.(1) 時間間隔； (2) 時刻的測定.時間間隔是指客觀物質運動的兩個不同狀態之間所經過的時間歷程；時刻是指客觀物質在某一運動狀態的瞬間與時間坐標軸原點之間的時間間隔.由于客觀物質在運動和發展過程中存在千差萬別，因而時間坐標軸原點的選擇具有任意性和實用性.現在我們知道宇宙起源于奇點的大爆炸，但我們討論宇宙中任一物理過程時，完全不必要都選用宇宙奇點大爆炸作為時間坐標軸原點.這里我們就長標度時間體系的歷法和短標度時間體系的時鐘分別作簡單介紹.

1 長標度時間體系

歷法是推算年、月、日的時間長度和它們之間關系而制定時間序列的法則.由于生產和生活的需要，古代人動腦筋研究晝夜、月相、季節變化的規律以及其計量方法，從而定出年、月、日的時間長度.其中“日”的長度是根據太陽每天的視運動定出的；“年”的日數和月數以及“月”的日數按觀察的天象定出，也有的是人為規定的.因為純粹按天象確定的年和月所包含的日數不是簡單的有理數，例如按季節變化的年(即日歸年)為365.24220日，按月相變化的月(即朔望月)為29.53059日，但制定歷法又必須使年的日數、月數和月的日數為整數，因此各國歷代制定的歷法側重各不相同，大體分為3類：第1類叫太陽歷，簡稱陽歷，公歷.以地球繞太陽公轉運動(其視運動是太陽在天球上的視位置東升西落)為基礎的時間單位稱為“年”.根據天球上不同的參考點計量的太陽周年視運動又可分為各種各樣的“年”，常用的有回歸年(365.24220日)、恒星年(365.25636日)等.第2類叫太陰歷簡稱陰歷，以月球繞地球公轉運動為基礎的時間單位稱為“月”(朔望月).國際上伊斯蘭國家和地區均采用陰歷，中國民間又稱為“回歷”，而中國民間通用的歷法稱為農歷，則是以朔望月為月的單位，以回歸年為年的單位，故屬于“陽歷”，民間有人稱中國農歷為陰歷，是一種誤傳，大概是受朔望月影響較深的緣故.農歷中一年(回歸年)不是只有十二月(朔望月)過了兩、三年要增加一個月，叫閏月(總的說來過19年有7次閏月，比如2020年庚子年就要閏四月)，這是因為農歷中的朔望月12個月才有354日或355日，要比回歸年365日或366日少11日，故農歷中會出現閏月.

由于回歸年時長為365.2422日，比365日的整數長0.2422日，故陽歷也有閏年，即每隔4年增加1日，這1日就放在二月份，因為二月只有28日逢到閏年(陽歷年分為4的整數倍，比如2020年)，二月增加1日為29日，稱為閏年(比如2020年2月為29日)，但4年一閏又讓0.25大于0.2422，故國際上又規定紀元為100整數倍的那一年要少閏一次，比如2000年雖然是4的整數倍，但不是閏年.

還要說明的是中國農歷中還有二十四節氣，其實這節氣的日子是根據地球繞太陽公轉的位置來定的屬于農歷中的陽歷范疇，與陰歷無關，故農歷中二十四節氣在回歸年的12個月中位置相對固定，即每月上半月(一般是4-6日)有一節氣(或中氣)，下半月(20日前后)有另一節氣.

中國歷法中叫干支紀年、干支紀日的歷法，它是以10個天干：甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸和12個地支：子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥順序相配組成，從甲子、乙丑、丙寅、丁卯……直到癸亥，共六十序列通稱六十甲子，干支在中國歷法上占有重要地位，早在殷商時代就已使用六十干支來紀日，紀年，這在陽歷沒有傳入中國前是中國歷法中用來記載歷史事件的重要參照.古人還有單用地支來紀時間的，就是將1日均分為十二個時段：子時為現代的23點至1點，丑時為1點至3點，午時為11點至13點，亥時為21點至23點，簡稱為十二時辰.這種時間分段，在中醫養生中廣為應用，這也是中華文化的又一瑰寶.

2 短標度時間體系

短標度時間體系脫胎于長標度時間體系，它源自生物體在進化過程中形成了與自然界節律相和諧的種種周期.人們把這些周期相匹配創造了與自然無象無關的更為實用的短標度時間體系：時、分、秒.當這些時間的短標度被量化，被數學化以后，大自然的天文學時間就變成可以測度的時間.古人類首先想到的人類自己的脈博節律，生老病死的周期，人類的“現在”正在逐漸進入“過去”，而“未來”正在進入“現在”，人死不能復生，覆水不能再收.“時間之箭”是一條單向的、線性的、均勻的流向.于是抽象的、自然的時間就被一種形象化的計時工具——鐘表所代替.

最早的能不間斷運行的計時工具是以重力為動力的機械鐘，它出現在歐洲的教堂和鐘樓里，起初只是報時，后來又細分為分和秒，但這種機械報時鐘走時極不準確，每天的誤差達十幾分鐘.

到1583年伽利略發現了擺的等時性——擺的周期與擺長的平方根成正比(這是最原始的秒擺).利用這一原理惠更斯于1657年制成了擺鐘，又于1675年發明了擺輪和游絲，使機械鐘的誤差減少到每天1 min以內，也為新式鐘表的誕生鋪平了道路，其影響直到現在人們還都把鐘表與時間混同起來.

客觀、數學的鐘表時間改變了人們的日常生活，時間已成為人類的公共產品，在物理學中，推崇四維時空.而在人們日常生產生活中，強調時間、地點，這是一脈相承的.時間的演化又將效率置于前所未有的地位，因為效率是離不開時間的.隨著科學技術的進步與發展，人們對時間的精度要求越來越高，比鐘表更精確的計時工具不斷涌現.

時間的單位是s(國際單位制中)，最早是利用地球自轉運動來計時的，19世紀末，將一個平太陽日的1/86400作為1 s，被稱為世界時·秒，由于地球自轉存在不規則變化并有長期減慢的趨勢.不能保持恒定，其準確度只能達到10-9.這種計時方式實質上是采用天文鐘，1967年國際計量大會采用銫133原子基態的兩個超精細能級之間躍遷相對應的輻射的9192631770個周期所持續的時間定義為1 s(銫原子鐘)稱為原子·秒，其精度達10-13,這一進步充分體現了物理學對時間計量進步的貢獻.

進入21世紀，宇宙探索，航天事業發展，宇宙空間定位，對時間精度要求更高.當數學的社會時間統一了世界，也切斷人與自然的聯系，人的個體行為必須與社會、集體確定的時間相協調，時間已成為人們生活的指揮棒.物理學中的時間取代了社會中的傳統權威，人沒有鐘表、不講時間將無法立足，無法生活，社會會立刻陷于癱瘓.