時鐘變慢的物理學機制------時頻計量沒有統一標準

時鐘變慢的物理學機制

------時頻計量沒有統一標準

周吉善 （jishanzhou@126.com）　2007.11 http://sea3000.net/zhoujishan/18.php

（本文載ctf2005學術交流論文集）

【摘要】時鐘的快慢由 gR（即勢）決定，gR的背後必然有一種基本存在。相對論提供的時間觀跟經典物理學是一致的，而擺鐘和原子鐘快慢變化規律的背後卻存在著更深層次的悖論。物理學理論中的諸多困惑既跟哲學的自然觀不妥當有關，又有對時間和空間關係的邏輯定位不恰當的原因。現實生活中需要的是「鍾讀數一致」，物理學描述自然規律則必須使用「同一台鐘」。基於時間有 T∝g^-1/2、T∝ g兩種，惠勒所說「相對論和量子論根本不能協調」確實是對的。

【關鍵詞】時間間隔 基本物理量 鍾讀數一致 同一台鐘 邏輯定位

Abstract: Slowness or quickness of the clock is decided by gR (i.e. potential), and gR must be decided by something. Concept of time in the theory of relativity is harmony with that in classic physics while paradox on the law of running change of pendulum clock and atomic clock exists. The reasons why there』re so many problems in the physical theory not only come from improper concept of nature in philosophy but also from infelicitous logic location of time and space. In reality uniform of clock reading is needed, while the description of the nature in physics must concord. There are two theories on time, that is T ∝g^-1/2 、T∝g, as a result, the theory of Wheeler---the theory of relativity and quantum theory can never coordinate --- is right.

Key words: intervene of time, basic physical quantity, uniform of clock reading, the same clock, logic location

時間 T 作為物理學量綱式中三個最基本物理量之一，跟質量 M 和長度L 都有定義非常嚴謹而精密的計量單位，傳統理解的科學主張科學知識必須能由任何一位科學家通過測量予以重複驗證，就建立在這個基礎之上。

計量時間間隔的單位秒長（簡稱秒）的定義，歷代已經做過多次修改：最初時定義「地球自轉周期（即一晝夜）的 1/86400 為1秒 」 ，叫做「世界時」 （UT ）；發現地球的自轉周期不穩定後，從1886年開始「採用天文觀測求得太陽出現在天頂的平均周期（即太陽日）的 1/86400 為 1 秒」。 1960 年第十一屆國際計量大會批准：「秒為 1900 年 1 月 0 日曆書時 12 時起算的回歸年的 1/31556925 . 9747 」，這種依據地球繞太陽公轉定義的計時系統被稱為「曆書時」，精度提高到 10 ^{- 9} ，相當於每 30 年差± 1 秒。 1967 年第十三屆國際計量大會批准，「秒等於銫 ₁₃₃ 原子基態的兩個超級精細能級之間躍遷輻射周期 9192631770 倍的持續時間」，被稱為「原子時」 （TAI ），精度可達10^-13 ，相當於 3 萬年差± 1 秒。對計量時間的單位日益精確的定義，大大促進了科學技術的迅猛發展，已成為有目共睹的事實。

然而，自然界時不時總想跟「自以為是」的人類開個小玩笑：你人類可以憑藉自己的智慧去修正定義計量時間間隔的單位，我則要使你的檢測儀器（鍾）會自主地變慢或變快。科學就是在這種被自然「捉弄」和不甘心忍受「捉弄」的對立中發展起來的。

100 年前愛因斯坦用狹義相對論告訴我們，運動物體上的鐘會變慢； 10年後他又用廣義相對論揭示出，引力勢gR越深（即越低）的地方鍾就走得越慢。日常生活中的經驗是，無論在廣州、瀋陽還是拉薩，所有的鐘記錄的時間都是一樣的，即任何地方的鐘都是同步的。這個悖論整整困擾了我們 100年，迄今為止即使是研究相對論的專家也都無法回答時間究竟是什麼，鍾為什麼會變慢這樣的問題。因為計量時間間隔的單位秒，是定義非常嚴格的物理學概念；鍾變慢就意味著秒變長，難道會因為鍾在運動或所在位置的引力勢變化而影響地球的自轉或公轉嗎？相對論帶來的新時間觀，跟千百年來人類現實生活的積習直接矛盾，成為 100年來困擾人們乃至專家、學者的一大世紀難題；即使是這種新的時間觀在航天和衛星定位等不少領域都已經得到廣泛應用，隱藏在背後的物理作用機制卻依舊是一個謎。

一、日常積習的錯覺

「亞里士多德和牛頓相信絕對時間。也就是說，他們相信人們可以毫不含糊地測量兩個事件之間的時間間隔，只要用好的鐘，不管誰去測量，這個時間都是一樣的」；「這就是大部分人當作常識的觀點。然而，我們必須改變關於空間和時間的觀念」 （1-P27）。被霍金稱之為「大部分人當作常識的觀點」，是數千乃至上萬年人類從日常生活積習中得到的一種錯覺；「我們必須改變這種關於空間和時間的觀念」，這話雖說沒錯兒，但是，要改變被傳統「凝固」了的積習，絕不是一件容易的事情。

人類社會為了協調群體活動的需求，很久很久以前先民們就開始使用不同的裝置記錄時間，諸如立個竿子以觀測日影的移動，採用沙漏或滴水漏、焚香等作為標準，以確定時間的間隔和具體的時刻。直到擺鐘出現之後，才有了全世界統一使用的時間間隔單位 ——秒。

人們從日常生活中獲得的時間觀念是：時間是客觀的（東西），它像水似地自身在那裡等速地流逝著，時間間隔具有確定的計量標準——那就是秒。

近代物理學為了能夠精確地描述運動，時間的間隔和確定的時刻成為非常重要的物理量，於是就產生了不同地方、不同坐標系「鍾讀數一致」的要求；而擺鐘亦正好可以通過調節擺長 L 達到這個目的，「校鍾」即成為日常生活中的一種習慣，迄今幾乎所有的電視台和廣播電台，都把「校鍾」作為義務在履行。

認為計量時間間隔存在統一標準的觀念，是日常生活習慣和經典物理學的需求帶給我們的錯覺。經典物理學在要求「鍾讀數一致」的同時，還指出同一台鐘放在不同的高度或緯度，所記錄的數據並不相等；但是，對於這一點只是輕描淡寫地提了一下，並沒有人去深入思考其中包含的物理意義。

習慣認為「鍾讀數一致」就表明時間間隔相等是一種錯誤觀念：因為在不同高度或緯度讀數一致的鐘，其結構（指L ）卻不相同，比如廣州、北京和北極的g之比為9.788/9.801/9.832，在這三個地方讀數一致的鐘，就必須滿足擺長L之比同樣是9.788/9.801/9.832。然而，由Ｔ＝

可知，同一台鐘 T的長短由g決定；若將它分別放在上述三個地方， T 之比即為3.136/3.130/3.129，所記錄數據之比當為 3.129/3.130/3.136。T之比即代表秒長之比，由此足可以說明在廣州、北京、北極三地，用同一台鐘檢測到的秒長本來就不相等嘛！

在長達兩千年的時間裡，被「大部分人當作常識的觀點」，很顯然是錯了。相對論告訴我們鍾會因為所處位置的不同而變慢或變快，跟經典物理學理論完全一致，沒什麼值得驚詫莫名的！反過來說，同一台鐘在不同高度或緯度記錄的數據不同，其真實內涵即是，對不同高度或緯度時間間隔的計量，實際上並不存在統一而確定的標準。

小結：傳統認為時間間隔有確定標準的觀念，是在日常生活中依據習慣需求產生的錯覺；經典物理學對「鍾讀數一致」的要求，又為這種錯覺披上合理的「科學」外衣，也就為當今的觀念「改變」增添了更大難度。實際上對時間間隔的檢測，最關鍵的必要條件是使用同一台鐘；在這個前提下，相對論提供的時間觀和經典物理學完全一致。傳統所謂的「鍾讀數一致」，只能適用於日常生活——同一台鐘和鍾讀數一致，是兩個完全不同的概念，對相對論提供的時間觀不能接受，就基於對二者的混淆。現實生活最迫切的需要是「鍾讀數一致」；而描述自然規律的物理學則必須使用「同一台鐘」。

二、關於時間的悖論

無論是擺鐘還是原子鐘，決定其走時快慢的都是 gR （即勢），在這一點上相對論和經典物理學是一致的。但是，這兩種理論的背後，圍繞著時間卻存在一個更深層次的悖論。

十七世紀牛頓的引力論和十九世紀麥克斯韋的電磁理論，「在本質上是相互矛盾的」 （ 1-P39 ）；「對於電磁相互作用，相對論提供的時空結構和量子論提供的能量結構，既在邏輯上自洽又與經驗相符」，「而那些完全不涉及電磁相互作用的地方往往不令人滿意」 （ 2-P492 ） ——可以看出所謂的引力作用和電磁作用所描述的「基本存在 」及作用機制，肯定是存在本質差異的。廣義相對論帶來的新發現雖說揭示出了這種矛盾的根源，卻由於不能正確理解量綱式中 T 和 L 的實質，迄今這種「相互矛盾」和「不令人滿意」依舊在困擾著許多前沿的物理學家。

依據廣義相對論：鍾所處位置的引力勢 gR 越深（即越低），就走得越慢，可以簡明地記為T∝g （R）。1962年有人在水塔上、下放兩隻精確的鐘，證明底下那隻鍾確實走得慢些，學界普遍承認這和廣義相對論完全一致。

依據惠更斯方程Ｔ＝

做成的擺鐘，卻是隨著g的增大而變快，可以簡明地記為T∝g^-1/2。迄今為止，並沒有人關注由這兩個物理定律構成的悖論究竟意味著什麼（ 3 ）。

小結：對於由 T ∝ g 、 T ∝ g ^{- 1/2} 構成的悖論，唯一可能的闡釋只能是：這兩種不相容的時間，分別適用於兩類截然不同的「物理實在的實際客體」。

三、物理學的邏輯起點

德謨克利特的原子論認為：「世界只有原子和虛空這兩種基本存在，虛空的存在為原子提供運動場所」 （ 2-P217 ）。巴門尼德的「存在論」則認為只有「存在」、沒有不存在；亞里士多德從邏輯上證明不存在「虛空」，於是就有了長達兩千餘年的「存在論」哲學。物理學理論的邏輯起點即是物質一元論，也就是將所有的物理客體統稱為物質。

從原子論的虛空，到牛頓那獨立存在的空間，再到為解釋虹吸現象引入的真空，傳統理論中對這三種「空」缺乏深入的剖析，是當今困惑的主要根源。亞氏雖說證明了「虛空」不存在，並沒有證明「空間」不存在；愛因斯坦說「空虛空間」這概念就失去了意義，意思只能被理解為空間中「有東西」；「真空」本來的意思指沒有空氣分子的空間，現在指的是「全空間充滿著各種各樣的場，場的基態是真空，激發態表現為粒子」 （ 2-P387 ） ——所有這些一致證明了空間中確實存在著一種用時間和長度概念表述的物理客體； 3k 微波被發現即為之提供了充分而必要的證據。

如果原子論當初不使用「虛空」而使用「空間」這個概念，物理學的邏輯起點恐怕早就建立在二元基礎上了。上個世紀之交，由於將德謨克利特的實體原子改為元素原子，促進了現代科學的迅猛發展；當今應該廓清傳統對「空間」的錯誤理解，改一元為二元，即「基本存在」本來就分物質和空間兩大系統。

小結：物理學（即自然哲學又叫第二哲學）理論的邏輯起點應該是物質、空間二元論，而不應該使用傳統哲學（即亞里士多德所謂的第一哲學）的物質一元論。

四、時間和空間的關係

當今物理學理論中的諸多困惑，除了哲學自然觀的原因之外，還因為傳統理論中對空間和時間關係的邏輯定位不恰當。

在傳統的物理學理論中，空間和時間概念總被並列使用，給人的印象是物質、空間和時間屬於同一層面的三個概念，由之引發出一種非常嚴重的觀念性錯誤。物理量都是可以被精確測定的，物質和時間分別用天平和鍾予以測定，而空間呢？有人會回答：用尺子！然而，用尺子測出的叫長度，跟質量、時間屬於同一層面的範疇，空間究竟應該放到什麼樣的位置上去呢？

1953 年愛因斯坦在《狹義和廣義相對論淺說》英譯本 15 版的序言中補充了幾句關於時間和空間的說明：

空間－時間未必是一種可以認為離開物理實在的實際客體而獨立存在的東西。物理客體不是在空間之中，而是這些客體有著空間的廣延性。這樣，『空虛空間』這概念就失去了它的意義。

實際上他在這裡也同樣犯了將時間和空間並列的常識性錯誤，只需要對其中的個別概念略加修改，即可以更正由於傳統理論中對時間和空間關係邏輯定位的錯誤帶來的諸多困惑：

長度－時間未必是一種可以認為離開物理實在的實際客體而獨立存在的東西。這種「物理實在的實際客體」就叫做空間，它不僅有著用長度度量的廣延性，還有著用時間度量的持續性。傳統所謂的物理客體都被包容在空間之中；這樣，『空虛空間』這概念就失去了它的意義。

時間和空間兩個概念是從屬關係，即 T 和L 跟空間的關係，與 M 跟物質的關係完全相同—— 物質和空間用於指代兩類截然不同的「物理實在的實際客體」，而 M 和T 、L 則用於指代二者可以被精確測量的屬性。對物理學理論而言，只有質量、電量、能量和時間、長度這五個概念，才是真正有用的基本物理量。

「亞里士多德關於稱謂和關於基本實體的學說，就發展而為實體的諸屬性相互聯繫而基本實體之間卻相互分離的學說了。所有的現代認識論和現代宇宙論都為此問題而大傷腦筋」 （4-P289） ——只需要承認物質和空間是指代兩類「基本實體」的哲學範疇，而質量、電量、能量（專指量子ε）和時間、長度是指代「屬性」的基本物理量，「為此問題而大傷腦筋」的困惑，即可以全部得到冰釋。

小結：物質和空間屬於物理學理論中誤用的兩個哲學概念，與之相對應的基本物理量是質量、時間和長度；量綱式中三個基本物理量的實用有效性，就在於 M指代物質、T和L指代空間的本質屬性。物理學所描述的即是「實體的諸屬性相互聯繫」的自然規律。

五、惠勒的困惑

當代著名物理學家惠勒指出：「我們常說，物理學中最大的問題是協調量子論和相對論。我現在更鮮明地說：相對論和量子論根本不能協調，除非在這樣一種框架中，即在其中沒有這兩者，沒有定律，並且更重要的是『沒有時間』」 （ 5-P35 ）。看起來理論物理學真的已經走到了「山窮水盡實無路」的地步，但是，物理學理論中「沒有時間」又怎麼可能呢？

只需要承認物理學理論的邏輯起點是二元的，就可以順理成章地說：狹義相對論和量子論所描述的電磁輻射現象屬於空間系統的事物，應該使用愛因斯坦時間（即 T∝g ）；廣義相對論所描述的是空間系統對物質系統中個體的作用規律，應該使用惠更斯時間（即 T∝g^-1/2 ）——並非是要「沒有時間」，而是這兩種時間沒有統一的度量標準：一種正比於 g，而另一種卻反比於 g的平方根。

上述兩種不能相容的時間被發現，雖說可以從根本上消除掉惠勒的困惑，卻預示了一個更嚴重的問題：想把所謂的引力也包括在內的大統一理論，沒有實現的可能——原因是廣義相對論和量子論分別使用上述兩種不能相容的時間，亦即是惠勒所謂的「沒有時間」。

小結：由於兩類「物理實在的實際客體」所使用的時間不相容，或曰沒有統一的度量標準，量子論和廣義相對論確實是「根本不能協調」的。

綜上所述，物理學（自然哲學）的邏輯起點應該是物質、空間二元論，而不是傳統哲學的物質一元論。用天平稱量和千克計量的質量M，屬於物質最基本的特性；用鍾檢測和秒計量的時間 T ，屬於空間最基本的一種特性。空間以用 gR 表徵的結構作用於鍾，顯示的時間間隔為 T ∝ g^-1/2 ；空間中的最小單元（量子），自動地進入粒子被儲存或從粒子中放出，顯示的時間間隔為T∝g。擺鐘和原子鐘均因為受gR作用而顯示的時間，其快慢變化的規律卻正好是相反的，即前者的T 隨 g 變大而變小（被稱為變快），後者的T卻隨g變大而變大（被稱為變慢）。

參 考 書 目

（1） (英)霍金著 許明賢等譯時間簡史 湖南科學技術出版社 1995年

（2）董光璧等著世界物理學史吉林教育出版社 1994年

（3）周吉善 時間隨R而變的方程鄭州防空兵學院學報2003年2期

（4 ）文池主編宇宙簡史線裝書局 2003年

（5）（美）惠勒著 物理學和質樸性 安徽科學技術出版社 1982年

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