在今天的《量子杂志》(QuantaMagazine)上,刊登了其编辑部的一篇关于时间是什么?时间之箭(ArrowsofTime)的图文并茂、生动精彩的长篇图文,下面是该长篇图文的介绍(有点长、耐心看)。
人类的思维长期以来一直在纠缠于时间的难以捉摸的性质:它是什么、如何记录它、它如何调节生命以及它是否作为宇宙的基本组成部分存在。下面的时间表通过对人类的文化、物理学、计时学和生物学的观察历史来追溯我们对时间的不断发展的理解。
公元前50,年的文化
澳大利亚的第一批居民,即当今土著人民的祖先,已经接受了永恒的自然观,将现在和过去紧密地联系在一起。例如,人们认为长期死去的祖先的灵*居住在活人中。这些精神反映了悠久的*金时代,有时也被称为梦幻时代。
公元前8,年的文化计时
在现在的苏格兰东部发现的一排12个坑可能起到了农历的作用。考古学家注意到,坑的形状反映了月相。凹坑也似乎与地平线上与仲冬日出相对应的点对齐。
公元前年的计时记录
在古埃及,白天和黑夜分别分为12小时,尽管这些时间的长短会随季节而变化(夏季的白天较长,冬季的白天较短)。
公元前年的文化
许多文明,包括古代伊朗以及希腊和罗马的文明,都在一个通常被称为“时辰”的神灵中体现了时间。时空之战经常被描绘成有翼之神,在罗马他表现出更人性化的形式。公元前6世纪的哲学家毕达哥拉斯(Pythagoras)将时空之神描述为宇宙的“灵*”。
公元前年的文化
西方文化已经开始接受线性的时间概念,但许多其他文化都将注意力集中在时间的循环上。例如,印度教和佛教采用了一种周期性的时间观,暗示着世界最终回到以前的状态。没有什么是永久的,甚至死亡也只是重生和更新的通道。
公元前年的物理学
在希腊物理学家亚里士多德的《物理学》中,对时间的定义相当现代,它是“相对于前后的可计算的运动量度”。时间作为固定事件序列的这种想法只需要稍作修改就可以保留,直到20世纪初爱因斯坦的工作为止。时间开始了吗?亚里士多德拒绝接受这一观念,而是视时间为无止境。
公元前年的文化计时
中美洲的玛雅人开发了一个复杂的日历,该日历不仅跟踪月亮的经过季节和阶段,而且还跟踪金星在早晨或傍晚的天空出现的时间。玛雅人认为时间是有机的,并认为人类与时间的流逝息息相关。坚持时间前进被视为一项共同的责任。
公元前45年的文化计时
古代天文学家认识到,一天并不能平均分为阴历月(大约29.5天),而且根据季节的定义,一天和一个月都不能平均分为一年(大约.25天)。因此需要折中。在朱利叶斯·凯撒(JuliusCaesar)统治下的古罗马,采用了天的日历,但每四年除以天。
年的计时记录
中国制造了世界上第一个机械钟表,这是一种精致的巨大的水力计时表。一个巨大的轮子载着36个水桶,装满水后倒空,并装在五层高的宝塔中。制作花了十多年。机械钟大约在两个世纪后出现在欧洲。
年的文化计时
朱利安历法仍然比真正的太阳年份每年少约一天。对于罗马天主教堂而言,这在复活节之类的重要圣日的时间安排上造成了混乱,因为复活节正从春季转移到夏季。在咨询了数学家和天文学家之后,教皇格里高利十三世实施了现在称为公历的日历,每年下降三天。
年代的计时记录
任何时钟的核心都是调节机制,即以可预测的规则方式循环的物理过程。伽利略可能是第一个建议从事这项工作的人。他确定摆锤的摆幅会随着时间的推移保持恒定,甚至还制定了摆锤的计划。但是最早制造这种钟表的人是荷兰工匠,他们使用的是天文学家克里斯蒂安·惠更斯的设计。
的物理学
牛顿在他的杰作《自然原理》中写道:“绝对的、真实的和数学的时间,就其本身以及其自身的性质,都是一致地流动的。”他说,即使我们的时钟可能不完美,但实时流仍保持稳定,是宇宙的主要时钟。牛顿的定义与我们对时间的常识相吻合,它以每个人相同的速度流逝。
的生物学
古希腊人知道植物每天打开和关闭花瓣和花朵的周期,但这是一个18世纪的天文学家奥尔特·迈兰证明了植物的作用远不只是简单对阳光的反应。他将含羞草植物放在一个黑暗的房间中数天,并注意到它们的循环行为持续存在,“好像植物能感觉到阳光一样”。
年的物理学
法国科学家萨迪·卡诺证明,任何发动机的效率都有上限。卡诺法则是对热力学第二定律的第一条陈述。该法律大致规定,在封闭系统中,无序量的熵必须始终增加,但绝非相反,似乎为时间指明了方向。
年的计时记录
直到年代初,人们都是根据太阳来设定时钟,这意味着不同的城市会保留不同的当地时间。随着快速列车的兴起,不同时间的混乱变得不便。出生于苏格兰的工程师弗莱明建议将世界划分为24个相等的时区,每个时区跨越15度经度。他的“标准时间”计划最终被国际子午线会议的代表通过。
年的文化物理
英国作家H·G·威尔斯出版了《时光机》,通常被称为第一个现代旅行故事。尽管该书比爱因斯坦的相对论早了整整十年,该书将时间视为第四维度,与空间的三个维度无关,类似于爱因斯坦物理学中的构想。
年的物理学
爱因斯坦在狭义相对论中指出,像牛顿想象的那样,宇宙不可能有“主钟”。相反,时间的测量取决于每个观察者的运动。一个例外是光速,每个人都认为光速具有相同的值。该理论暗示,光速是宇宙的极限速度。
年的物理学
在爱因斯坦的相对论之后,时空是紧密相连。爱因斯坦的前任老师之一、德国数学家赫尔曼·明科夫斯基描述了由此产生的四维实体:尽管空间和时间是相对的,但时空的间隔是绝对的。在年的一次演讲中,他宣称:“此后的空间和时间本身注定要淡出阴影,只有两者的一种结合才能保持独立的现实。”
年的物理学
爱因斯坦在广义相对论中指出,引力可以扭曲空间和时间。狭义相对论仅适用于以恒定速度运动的物体,而广义相对论涵盖了加速的物体。该理论预测了引力波和黑洞的存在,两者现已通过观察得到证实。
年的物理学
爱因斯坦研究出广义相对论方程后的几个月,德国物理学家卡尔·施瓦茨希尔德解决了特定情况下的方程:非旋转球形质量。但是他的解决方案具有令人惊讶的含义:如果将一个物体的所有质量都压缩到一个临界半径之内,将遭受灾难性的、不可阻挡的坍塌,从而产生一个物体可能会逃脱,其引力场是如此强烈,以至于没有光。我们现在将此类对象称为黑洞。
年的物理学
为什么时间似乎只向一个方向流动?英国物理学家亚瑟·爱丁顿在《物理世界的本质》中将其称为“时间之箭”。他认为这与熵有某种联系。他写道:“如果我们遵循箭头,我们会发现世界上越来越多的随机元素,那么箭头就指向了未来。如果随机元素减小,则箭头指向过去。那是物理学唯一已知的区别。”
年的物理学
美国天文学家埃德温·哈勃使用洛杉矶郊外英寸望远镜的观测结果表明,星系离地球越远,它离我们越快。这一发现为我们现在所说的宇宙大爆炸模型铺平了道路。宇宙大爆炸模型是一种思想,即我们周围看到的所有物质和能量曾经集中在一个很小的空间中。这意味着宇宙,可能还有时间本身,有一个开始。
年的生物学
德国动物学家古斯塔夫·克莱默假设,许多动植物都有一种内部时钟来控制其生物节律。他认为,这与鸟类和蜜蜂似乎用于导航的“太阳罗盘”有关。他的同胞克劳斯·霍夫曼的进一步实验表明,这些“昼夜节律”大约持续24小时,实际上确实有助于鸟类航行。
年的物理学
物理学家亚诺·彭齐亚斯和射电天文学家罗伯特·威尔逊在贝尔实验室用无线电天线发现了一种神秘的全天空辉光。这种辐射很快被认为是“宇宙微波背景”,有时被描述为大爆炸的回声。下图为彭齐亚斯(左)和威尔逊及其微波无线电天线。
年的物理计时
几个世纪以来,秒被定义为一天的1/86,。但是原子钟是如此精确,以至于揭示了地球自转的不规则性。现在很明显,由于气候和地质过程以及潮汐摩擦,一天的时间略有不同。换句话说,人们发现原子比行星更能使计时器更好,正式定义为铯的特定同位素发生9,,,次振动的持续时间。下图为埃森(右)和帕里于年首次使用铯原子钟。
年的物理学
当携带相同原子钟的商业客机两次在世界各地飞行,首先向东然后向西飞行,并将相对于地面上的相同钟进行比较时,相对地进行了测试。由此产生的差异,即时间膨胀,很小(不到百万分之一秒),但可以用时钟轻松测量,其结果与爱因斯坦的相对论和特殊相对论相一致。
年的生物学
生物科学家们发现了控制昼夜节律的大脑区域。关键结构是视交叉上核(SCN),它处理来自视网膜的有关明暗的信息。后来在小鼠中进行的研究发现,对SCN的破坏会破坏动物的节律,SCN移植可以恢复它们的节奏。
年的物理文化
著名物理学家霍金出版了《时间简史》,这本关于时空与宇宙的书畅销惊人。霍金确定了三个不同的“时间箭头”:一个心理箭头(支撑我们对过去的记忆以及我们如何想象未来),一个热力学箭头(熵增加的方向)和一个宇宙学箭头(宇宙大小增加的方向)。
年的生物学
一位意大利妇女从一个山洞里出来,在洞里度过了天,没有与外界接触,也没有时钟。实验开始后不久,她的觉醒周期从24小时变为25小时;到最后,它长达36个小时。在天之后,她估计已经过去了60天。关于我们的身体如何跟踪时间还有很多事情要学习,但是这样的实验表明我们的内部时钟不仅仅是机械钟表的生物学等效物。
年的物理学
四位著名的量子物理学家在其具影响力的论文中指出,时间之箭可以用量子力学纠缠来解释。当一个物理系统与周围环境纠缠在一起时,它会越来越接近于平衡,这种单向的演化决定了时间的箭头。
年的物理学
研究可能的量子引力理论的科学家们开始怀疑,空间和时间都不是宇宙的基本特性。两位著名物理学家在年提出了量子纠缠与虫洞之间的对等关系。在年由爱因斯坦和合著者发表的两篇论文之后,这个想法有时被称为ER=EPR。如果是这样,那意味着量子相互作用会缝合时空结构。
年的物理计时
由著名美籍华裔物理学家,美国国家科学院院士、叶*(JunYe)所领导的团队开发了迄今为止最精确的原子钟。它被称为锶晶格钟,可记录87锶原子的振动,该振动以飞秒(百万分之一秒的百万分之一秒)测量的频率“滴答”。如果从大爆炸那一刻起就一直运行这样的时钟,那么它的得失不超过一秒钟。锶晶格时钟现在被用于探测基本物理学,并可以用作暗物质探测器。下图为叶*实验室的光钟使用冷却的锶原子,在真空室的中心可以看到发蓝色的荧光。
年的生物学
挪威生物学家发现,大脑内的细胞网络似乎在将对时间流逝的认识与记忆形成的联系中发挥了关键作用。在大鼠上进行的这项研究表明,与海马体相邻的称为外侧内嗅皮层的大脑区域内的某些细胞群通过“允许海马体存储关于什么,何时何地的统一表示来编码情景记忆。”