第13章 时间的趣话(6)
人们思索的重点集中在这样3个基本问题上：时间的本质是什么，时间的箭头指向何方，它有无开头和终结？
在这些问题中，有的已经为人们所了解，有的至今还没有令人满意的答案。也许根本不存在这样的答案。但是，这类问题的提出，以及对于它们的答案的探求，却不是没有意义的，它可以使我们有机会更多地揭示时间和人类所生存的宇宙的特点。
时间不会倒流的证明我们都熟悉“光阴似箭”、“时不待我”这样的语句。它似乎意味着时间以一定的速度在流驰。我们也常有这样感受，一天“匆匆地过去了”。然而细究起来，这种概念又没有什么实际意义，因为时间究竟怎样流动，它流动的速度有多快，是多少分之一秒吗？
运动和行进要求有某种固定的时间框架来测量它们的进程。对于通过空间的运动来说，我们以时间作框架，但是，说到通过时间的运动，我们该用什么作框架呢？
我们仅知道，自然界中宏观运动过程（大尺度范围内的运动过程）都是单向的，人们不可能在电视台未发播节目之前收看到它的图像。
在日常生活中，我们看到的大多数过程也是单向的，人由少及老，房屋从新到旧。山岳被分化侵蚀，恒星慢慢耗散能源，宇宙不断膨胀……我们从未见过相反的过程，譬如说，房屋自动聚拢，河水倒上山。
这些事实表明，不论在地球上还是在空间规模上，宇宙中都存在着一个时间方向：它单向向前，永不倒流。
但是在古代，人们曾经幻想过时间倒流。他们祈望有一种灵丹妙药，人吃了以后可以长生不老，甚至返老还童。这在我国古代神话传说中是屡见不鲜的。外国文学作品中也有类似描述。
然而常识告诉我们，时间不会倒转！要时间倒转如同让时间停滞不动一样，都是幻想。
水壶里的水沸腾了，这只能是在我们把它放到火炉上加热之后，决不会是在此之前。苹果成熟只能在果树开花之后。人都将随时间推移而变老，越活越年轻的事是没有的。这些都是老幼皆知的常识。
但是，常识往往并非全是真理。你怎样证明这种常识是可靠的呢？
证据是有的，热量转换就是一例。
如果我们把一块冰放到一杯水里，冰块将吸收水和杯子的热量而溶解，水和杯子由于给出了它们的一部分热量而变冷。假如我们把这一过程拍成电影，并按相反方向重新放出，我们将会看到，当一部分水变热时，另二部分水就结成冰。这意味着，热量只能从较热的物体向较冷物体流动，不会倒转过来。
大约在1个多世纪以前，物理学家克劳修斯就把这类现象总结成为热力学第二定律。它说明能量特别是热能的流动总是沿着一个方向进行的。能量可以被储存起来，但它有耗散趋势。热力学第二定律处理的是物理学中最基本的概念之一熵。虽然克劳修斯本人没有把熵的原理应用于时间，但后来的许多物理学家这样做了。他们发现，热能流动和时间流动是同时发生的，从而证明了时间箭头的单向性。
然而，时间为什么只能单向流动？
有些物理学家认为，时间的单向性是破坏次序的一种趋势，宇宙每天都在稍稍变得更加无序。
上一个世纪末，奥地利物理学家玻尔兹曼用简单的实验研究了无序性演变过程。该实验只需要3只大口瓶子，40张有数字的纸牌和40个标有数码的小球。
实验开始时，所有纸牌都放在第——只瓶子里，所有小球都放在第二只瓶子里，第三只瓶子是空的。随意从第一只瓶子里抽出一张纸牌，并把与它数字相同的小球从第二只瓶子转移到第三只瓶子里，然后把纸牌放回第一只瓶子。重复做下去。每一次，要么是小球从第二只瓶子转移到第三只瓶子里，要么是反过来，小球由第三只瓶子转移到第二只瓶子里。大概经过25次以后，两个瓶子里的小球数就近于相等。玻尔兹曼指出，只要抽出纸牌是随机的，有序必然会让位于无序。他由此认为他解开了时间单向性之谜。
但是我们知道，所谓有序——无序趋势并不是一条严格的定律，它只是一个概率和统计学问题。问题的要害不在于有序无序过程本身，而在于一开始是怎样达到有序状态的。为什么宇宙的趋势是从有序变为无序，而物质和能量却有很高的有序性？
玻尔兹曼对此作了多少有点俏皮地回答。他说，之所以有现在这种有序排列，是因为宇宙中发生过一次罕见的巨大波动，使它摆脱了极有可能的混乱状态——这纯粹是一种运气！
玻尔兹曼把自己的结论归功于“机遇”，这就等于宣布他并没有解开时间单向性之谜。
时间在宏观上的单向流动（亦称不可逆性）是人类已经观察到的事实。如何解释这种现象，到目前为止还没有结论。人们可以而且应该利用扩大了的视界和最新科学成果继续研究它，这是合理的。但近几十年来，有些人又从广义相对论时空弯曲这一特定条件下的物理现象出发，引出时间可以循环的结论来。这无异于说时间能够倒流！他们认为，时空弯曲理论蕴育着一种新的可能性，时间这条线将会闭合成圆或其他某种更为复杂的曲线。这样，时间便能沿这条闭合曲线流动，今天可以流向明天，也可以倒回到昨天。他们说，只要宇宙的形状受到某种约束，譬如说不断地给自己“旋紧发条”，它就有可能回复过去的状态，一切单向过程就能逆转，时间也就可以倒流。
那么宇宙将以什么方式不断给自己“旋紧发条”呢？只有靠上帝和神灵1这样一来，时间循环论者就又回到中世纪神创论哲学观点上去了。
时间与运动的亚里士多德悖论世界上第一个试图从物理学角度确定时间和运动关系的人，大概是古希腊的思想家亚里士多德。
亚里士多德生活在公元前4世纪，相当于我国的战国时代。他写过一本名叫《形而上学》的书。在这本书中，他宣布：“只有当我们已经把握住运动时，我们才能领悟到时间。”
但是他又加了一句：“我们不仅用时间来测量运动，也用运动来测量时间，因为它们是相互定义的。”
如果说，亚里士多德接近正确地描述了时间和运动的部分关系的话，那么在解释运动的性质和成因时，他的看法就成为悖论了。
亚里士多德从自然界中表面“事实”出发，认为任何运动物体都具有趋向静止的自然趋势。一块抛起的石头会很快由滚动而变为静止，马不拉车，车就停下不动。亚里士多德由此引出了自己的理论：运动速度直接正比于产生运动的力。一架由两匹马拉的车，“自然”要比由一匹马拉的车快两倍；一块10千克重的石头落下时的速度，“自然”要比5千克重的石头落下时的速度快两倍。
这就是亚里士多德关于运动性质的描述。
然而，运动是怎样产生的？亚里士多德认为，自然界中没有任何东西能自己运动，一个物体的运动必须有另一物体来推动它。他说：“假使一个运动由于另一个物体所推动，后者的运动势必还由其他一个运动所推动。如果无限地推论下去，是不可能得出结果的。每一个运动的最初运动必须归因于一个在天上运动的神灵之体。”
这样，亚里士多德就第一个把神灵作为不由他物所推动的第一推动者而引进了物理学，从而也把神灵的作用赋予了时间，因为时间和运动“是相互定义的”。
在中世纪宗教神学崩溃以后，亚里士多德关于运动、时间以及其他许多问题的错误观点，仍然统治科学界达几百年之久。
大约到13世纪以后，科学家才比较准确地定义了什么是速度。他们说，一个物体的运动指它在空间中位置的简单变化，速度就是在给定的时间里，物体位置变化了多少。直到今天，我们仍然沿用这种方式来表示速度，即每秒多少米或每小时多少千米。
但是，真正打破亚里士多德悖论的还是伽利略。
我们在本书中不止一次地提到伽利略。他是一位伟大的天文学家，第二个发明了望远镜，扩大了人们的视界，同时他也是一位著名的物理学家。有关他的坎坷一生的记载已被拍成电影搬上银幕，同千百万观众见面。
伽利略尖锐地指出：“物体愈重，下落愈快”这一论断在逻辑上是矛盾的。如果一个重物和一个轻物同时下落，时间分别为t1和t2，而把这两个物体捆在一起，它们下落的时间该是多少？按照亚里士多德的看法，将会有两种答案：
（1）重物带动轻物落得快，轻物影响重物落得慢，因而t1＜t＜t2；（2）两物体捆在一起，必重于单个物体，其下落时间必然是t＜t1＜t2。
这两个结果相互矛盾。因此，伽利略认为亚里士多德的论断不能成立。
据传，伽利略当时还在比萨斜塔上作过落体实验，以证明亚里士多德理论的错误。不管这个故事是否真实（科学史家们对此一直持有异议），重要的是，这个天才的意大利人真正测定了运动物体的时间。他在不同长度的斜面上滚下金属小球，同时把漏刻滴下的水收集在杯子里，称出这些水的重量，从而测定了小球从不同斜面滚下时所经历的时间。
伽利略根据这些实验进一步指出，单有速度——位置随时间的变化——不足以定义运动，还必须考虑速度随时间的变化，这就是加速度。
在这里，伽利略只是提出了问题，但没有做出理论上的发现。加速度概念的建立是后来由牛顿完成的。
牛顿的“绝对时间”观念牛顿比伽利略又前进了一步。牛顿认为，同亚里士多德的“理论”恰恰相反，如果没有什么别的东西阻止，运动着的物体决不会静止。下落的石头所以会落到地面不动，是因为受到地球的阻止；马车所以停下不走，是由于车轮同路面之间有摩擦力。在一条光滑水平的路面上，具有无摩擦轴承的马车，将会一直滚动下去。因此，牛顿指出，力对于物体的作用，只是使它的运动速度随时间发生变化。这个变化的量称为加速度，它正比于作用力的大小。
这就是牛顿运动学第二定律。用熟知的公式表示就是：
F=ma这里F为作用力，m和a分别为受力物体的质量和加速度。
牛顿的运动定律，连同他在1684年导出的万有引力定律，奠定了经典物理学的基础，对当时和后来的自然科学的发展都有很大影响，直到今天仍被广泛应用，继续发挥着巨大作用。
但是，应该看到，牛顿定律是以这样的概念为基础的：用以测量运动的时间是一种均匀流逝的“绝对时间”。
什么叫绝对时间？牛顿在其1687年发表的《自然哲学的数学原理》一书中给出了如下定义：
“绝对的、真实的数学时间，就其自身及其本质而言，是永远均匀流动的，它不依赖于任何外界事物。”
牛顿的这种观点歪曲了时间与运动的关系，在他自己的理论系统内也是自相矛盾的。因为他已经承认运动不是绝对的。既然如此，你怎么测量或觉察出绝对时间呢？
牛顿争辩说他能够做到这一点。他说他能借助于其他形式的运动来证明绝对时间的存在，这就是旋转运动。他认为，旋转运动是绝对的。牛顿当初举了这样一个例子：如果把一只水桶吊在卷曲的绳索上，使它向绳索解开的方向旋转，水面会沿水桶边缘上升，并形成凹形。旋转越快，水面上升越高。这就是有名的“水桶实验”。牛顿说，水面的这种升高就是一种绝对运动，它在原理上就证明了绝对时间的存在，并为测量绝对时间提供了方法。
牛顿的辩解显然是站不住脚的。因为水桶是在空间中旋转的，它必然是相对于宇宙中某个其他物体而言的，因而也就不是绝对的。但是牛顿又说，“如果在真空中旋转；它仍将给出同样结果。”然而牛顿在生前没有、后来的物理学家也没有拿出任何实验证据，证明水桶在宇宙中的旋转是绝对的。事实上，这种证据是永远也找不到的！
尽管如此，牛顿仍然坚持自己的观点。他认为，从原则上讲，应该有一种理想的时间尺度——绝对时间，它能够独立存在而与任何特定事件和过程无关。
牛顿的这种观点遭到了与他同时代的数学家莱布尼兹的反对。莱布尼兹认为，同时间相比，事件要更为基本，那种认为没有事件时间也会存在的观点是荒谬的。在他看来，时间是从事件引出来的，所有同时性事件构成了宇宙的一个阶段，而这些阶段就像昨天、今天和明天一样一个紧接着一个。莱布尼兹的这种相对时间的理论，在今天看来似乎比牛顿理论更能为人接受，因为它更符合现代物理学的发展。
但是，牛顿的观点在18世纪和19世纪仍然居于统治地位。因为它得到教会的支持。牛顿本人在给教会的一封信中就这样说过：“用这些原理也许能使深思熟虑的人们相信上帝的存在。”因此，牛顿的绝对时间理论在当时被讴歌成整个宇宙的绝对真理。直至本世纪初，人们还普遍认为存在着一个独一无二的、普遍适用的、不依赖于任何其他事物的时间体系。正因为这样，当爱因斯坦在1905年发现了时间理论中一个从未有人怀疑过的漏洞，从而推翻了这些假说以及基于这些假说的整个时间哲学时，物理学经受了一场地震。
这个漏洞就是狭义相对论揭示的时间的相对性理论。
时间的相对性还在学生时代，爱因斯坦就在思考这样一个令人困惑的问题：假如他以光的速度穿过以太旅行，他将看到一些什么呢？按照运动的相对性原理，这时光束应该相当于静止空间中振荡的电磁场，但这种观点同麦克斯韦理论不符。于是爱因斯坦开始猜想，力学定律以及包括光的传播在内的其他物理学定律，对于以不同速度运动的观测者必然具有相同的形式。他认为，相对性原理不仅能应用于力学现象，而且同样也能应用于光学和电磁学现象。光速不但对于相对静止的观测者是相同的，对于那些处于相对匀速运动中的观测者也是相同的。迈克耳逊-莫雷实验的零结果是“正确的”，因为：第一，不存在以太；第二，光速不变。
爱因斯坦接着便以这两条结论为前提，推广了伽利略的相对性原理，建立了自己的、更加普遍的新理论——狭义相对论。所谓“狭义”，指它仅限于匀速运动的场合。
狭义相对论指出，不管是力学现象，还是光学和电磁学现象，它们所遵循的规律都与惯性系的运动状态无关。
这样，爱因斯坦就完满地解决了麦克斯韦的电磁波理论和建立在牛顿力学定律基础上的物理学其他部分之间的矛盾，从而开创了物理学的一个新时代。
狭义相对论发表于1905年，论文的题目叫“论动体的电动力学”。从这篇文章我们看到，爱因斯坦是通过分析时间概念来解决问题的，也是在“同时性的相对性”这个问题上取得突破的。他醒悟到时间的可疑，认为时间不能绝对定义，并且指出，对于肘间的测量决定于人们对“同时性”的认识。也就是说，对时间间隔的测量必然涉及对同时性的判断，即一个事件和另一个事件在时间上的吻合。他在“论动体的电动力学”一文中对这一点有一段精彩的表述：