時(shí)間的范圍有多大？

李孝輝　劉婭

自然界是形形色色的，每個(gè)事件都有其持續(xù)的時(shí)間，不同事件持續(xù)時(shí)間的跨度差別極大。有些壽命極長(zhǎng)，如天體的年齡以數(shù)百億年計(jì)，組成原子的質(zhì)子壽命更長(zhǎng)，甚至超過(guò)1028秒;有些壽命則極短，例如Z粒子的壽命只有10-25秒。

“時(shí)間”的范圍非常大，最大值和最小值之間相差超過(guò)1053倍。1053有多大？從以下兩個(gè)例子就可以看出來(lái)：

一粒米只有1毫米大小，1053粒米放在一起，組成的球比太陽(yáng)系都要大！有成語(yǔ)說(shuō)輕如鴻毛，鴻毛再輕也有質(zhì)量，如果鴻毛的質(zhì)量是0.001克，1053根鴻毛集中在一起，不但比地球重得多，甚至比1億億個(gè)太陽(yáng)還要重！從這些例子里，對(duì)最大時(shí)間和最小時(shí)間的差別，可以窺知一二。

這么大的時(shí)間和如此小的時(shí)間是怎么測(cè)量出來(lái)的呢？科學(xué)家自有辦法。

測(cè)量天體的年齡，要先測(cè)量天體能量的損耗速度和該天體的質(zhì)量，然后根據(jù)質(zhì)量和能量轉(zhuǎn)換關(guān)系估算天體的壽命。這和吃餃子有點(diǎn)像，一盤10個(gè)餃子，一分鐘吃一個(gè)，我們只要數(shù)一下剩幾個(gè)就知道過(guò)了幾分鐘，天文學(xué)家可以測(cè)量數(shù)百萬(wàn)年到數(shù)百億年之間的時(shí)間間隔。

測(cè)量地球的年齡、巖石的形成時(shí)間，一般采用放射性元素衰變法，并由此形成了一個(gè)專門的學(xué)科——地質(zhì)紀(jì)年學(xué)。放射性元素的衰變速度是恒定的，在巖石中測(cè)量放射性元素已經(jīng)衰變的質(zhì)量和沒(méi)有衰變的質(zhì)量，兩者相比就可以確定巖石的年齡。用這種方法估算出地球年齡大概是45億年。

測(cè)量古生物的時(shí)代，利用的是古生物的生理節(jié)律。例如，古動(dòng)物生活時(shí)期所處環(huán)境影響到古動(dòng)物的生理特征，這些生理特征會(huì)影響到古動(dòng)物的生長(zhǎng)節(jié)律，也就會(huì)在骨骼、貝殼等的外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)上鑄成各種花紋和圖樣，這些花紋和圖樣是古生物生理節(jié)律的記錄。當(dāng)研究了古生物化石上反映的生理節(jié)律以后，對(duì)照現(xiàn)代同一生物的生理節(jié)律，并與現(xiàn)代計(jì)時(shí)方法比較，便能推斷古生物時(shí)代的時(shí)間記錄，這就是古生物時(shí)鐘。古生物時(shí)鐘證實(shí)了地球速率長(zhǎng)期變慢的論斷。

日、月、年、世紀(jì)的測(cè)量屬于天文學(xué)歷法的范疇。歷法實(shí)質(zhì)上是根據(jù)地球繞日公轉(zhuǎn)周期和地球繞軸自轉(zhuǎn)周期來(lái)測(cè)量時(shí)間的，這兩種運(yùn)動(dòng)反映了地球上四季和晝夜的交替，其規(guī)律與人類活動(dòng)密切相關(guān)。但由于這兩種運(yùn)動(dòng)沒(méi)有成整倍數(shù)關(guān)系，如何照顧四季和晝夜這兩種現(xiàn)象，便構(gòu)成了編制歷法的基本任務(wù)。

現(xiàn)代時(shí)間測(cè)量，并不是指上述的廣義時(shí)間測(cè)量，而是指小于天的時(shí)間間隔測(cè)量，對(duì)于一些專業(yè)天文臺(tái)和物理實(shí)驗(yàn)室，時(shí)間測(cè)量的概念是秒以下時(shí)間間隔的測(cè)量。目前，這些實(shí)驗(yàn)室能直接測(cè)量的最高精度大約在飛秒量級(jí)。

（選自2021年2月18日中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)微信公眾號(hào)，本刊有刪改）