时钟是什么？时间又是什么？如何在相对论的基础上再往前迈进？

     时间是什么？这是一个古老的话题，伴随着人类的整个科学发展史。并且随着我们人类对自然界认识的深入，这个问题在不同的时期也有着不同的答案。纵观整个物理学史，时钟的发明和演化也在很大程度上塑造了人们对于时间的认识。

     本文将漫谈在物理发展史上的不同时期，人们对时钟和时间的理解。并且指出当今主流物理学界对时钟和时间理解中的一点偏差，在此基础上给予一些个人的见解。

1. 古人的时钟与时间

     地球绕太阳转动以及地球稳定自转这两种物理现象给古人提供了两个天然的时钟，于是年和日作为两个最早的时间单位便出现在人类的认知中。

春去秋来寒来暑往，祖先们世代重复着日出而作日落而息的规律生活。于是在生命的自然演化中，我们人类也进化出了用于适应这两个天然时钟的生物钟。

随着越来越深入认识大自然，古人开始利用身边的物理现象制作新的时钟。宋代大文豪苏轼有云：“缺月挂疏桐，漏断人初静”，这里的“漏”指的就是漏刻（water clock）。漏刻是有史料记载的最早出现的人造计时工具，在古中国、古雅典以及古印度均有使用。漏刻种类多种多样，其中最简单的漏刻便是在漏壶中插入一根刻有时刻的标杆，水位随着水从漏壶底部的小孔中流出而下降，其中水位下降前后所指示的标杆刻度差便是时间差。

1.1 古雅典时期的漏刻（图片来自网络）

1.2 中国古代漏刻（图片来自网络）

2. 牛顿的时钟与时间

     随着人类对物理现象更加深入的理解，各种各样的计时工具也随之产生。其中以单摆钟和弹簧振子钟最为应用广泛。无论是何种时钟，本质上它的工作原理都是在对重复性物理现象进行计数，而相邻两次物理现象的时间间隔被人为的赋予一个数值，这个数值被称作是此时钟的周期，于是时钟显示的时间就是周期乘以物理现象出现的次数。

     不同的时钟在对不同的物理现象进行计数，单摆钟对摆针摆动的次数进行计数而弹簧振子钟对振子震荡的次数进行计数。不同物理现象的背后却有着不同的物理公式与不同的影响因素。

     打个比方，重力加速度是影响单摆钟快慢的因素而弹簧弹性系数是影响弹簧振子钟快慢的因素。现在有一对相同的单摆钟和一对相同的弹簧振子钟，其中一个单摆钟和弹簧振子钟放在地球表面而另一个单摆钟和弹簧振子钟放在月球表面，那么地球上的单摆钟快于月球上的单摆钟而两个弹簧振子钟之间却没有明显的快慢区别。那么地球上的时间快于月球上的时间吗？我们知道当然不是，地球上的单摆钟所测时间更快只是由于地球上的引力大，使得单摆摆动加快了。并且这个时期的人普遍认为时间是均匀地流逝，不会受到任何参考系及外部环境的变化所干扰，因此时钟的快慢并没有和时间的快慢之间产生联系。

2.1 （单摆）

2.2 （弹簧振子）

2.3 （四种时钟分别对四种不同的物理现象进行计数）

3. 爱因斯坦的时钟和时间

     1905年，爱因斯坦提出了狭义相对论，阐述了运动中的时间变慢效应。1915年，爱因斯坦又提出广义相对论，阐述了引力使时间变慢的效应。也就是说，时间的流速并非一成不变的，而是会受到其他因素的影响，比如参照系之间的相对运动速度以及物体之间的引力相互作用。换句话说，在快速行驶的地铁中的时间比地面上的时间慢，同时，在地球上时间的流逝比在月球上慢。因此在相对论的时空观里，时间流逝的快慢是由所在参考系的速度和引力大小所决定的，一旦已知两个参考系的相对速度与引力大小，则它们的时间差异便可由相对论计算而得。

     原子钟通过记录原子辐射出的光子的震荡次数进行计时。1971年，一个原子钟被放在地球表面而另一个相同的原子钟则放在太空飞船上随着飞船遨游了一段时间。当飞船回到地面后发现，两个原子钟所显示的时间不一样。于是人们普遍接受相对论所预测的运动和引力影响时间快慢的结论。相较于牛顿时期，这时期的人们对于时钟的态度也开始发生改变。

3.1（1971年的原子钟遨游太空实验）

4. 爱因斯坦遗留下来的问题

     在牛顿时期，时钟普遍被认为只是一种重复物理现象的仪器，时钟变快或者变慢仅表明这种仪器所重复的物理现象在变快或者变慢而已。因此，那时候的人们热衷于研究时钟本身的工作原理，从而论证它变快或者变慢是受到某种因素的影响（譬如单摆钟是受到重力加速度的影响）。然而，现代的人却普遍认为时钟的快慢是时间的快慢导致的，而不再认为是某种相互作用的因素使得此时钟所测的物理过程变快或者变慢，也不再深入研究不同时钟背后的工作原理。一言以蔽之，把所有原因归结于时间的快慢似乎避免了很多麻烦。然而这种认知的背后却会引发新的问题。

问题1：单摆钟

     假设有两个相同的单摆钟，分别位于地球和月球上。两星球均属于弱引力场，因此单摆摆动频率正比于重力加速度的平方根。而时钟频率正比于时钟所测时间，因此地球上的单摆钟所测时间快于月球的单摆钟。然而由广义相对论可知，和月球相比，地球上的时间更慢（仅考虑两个星球的引力而忽略其运动速度的情况下），这与单摆钟所测的结果相矛盾。因此，在这种情况下，使用单摆钟和原子钟所测量的时差不一致，而原子钟所测的时间差符合广义相对论预测。两种时钟所测时间快慢效应不一致的原因是：这两种时钟所计数的两种物理现象分别受到两种不同因素的影响，详细证明过程请参考原文链接。

问题2：双时钟版的“双生子悖论”

     爱丽丝和鲍勃是一对龙凤胎，爱丽丝携带一个单摆钟和一个原子钟在一个强引力的星球表面上而鲍勃携带另一个单摆钟和原子钟在宇宙飞船上。由于星球表面的引力强度大于飞船所受引力强度，因而爱丽丝的单摆钟快于鲍勃的单摆钟而她的原子钟却慢于鲍勃的原子钟。那么问题来了：爱丽丝和鲍勃，谁衰老的更快？

     人体的衰老过程是各种微观和宏观物理现象混合一起后的综合反映。从宏观上来讲，涉及血液的流动，心脏的跳动等各种生理过程。微观上来讲，涉及细胞内的分子受重力影响的运动，以及原子之间的电磁相互作用和原子辐射等物理过程。这些物理过程不像原子辐射或者单摆摆动那么简单，所以无论是原子钟或者单摆钟都不可能准确模拟出这种复杂的衰老过程。也就是说，在强引力作用下机体老化过程是变快还是变慢尚未明确。因此，不挖掘机体衰老背后的物理机制就盲目断言人体衰老符合相对论的预测，这种做法是不可取的。

4.1 （双时钟版的“双生子悖论”）

5. 解决问题并在相对论的基础上再往前迈进

     从牛顿到爱因斯坦，时间作为一种绝对存在的观念被打破了。那么为了解决爱因斯坦遗留下来的问题，我们是否仍有一些需要被打破的观念呢？

打破对时钟的传统理解

     无论是原子钟、单摆钟、弹簧振子钟或是其它各种各样的计时工具，它们都只是用来记录周期性现象所出现次数的一种仪器，每一种仪器的运转均有其自身的原理。再者，时间变慢并不是时钟变慢的原因。无论哪种仪器，它变快或者变慢都有来自其他物理相互作用的原因，而不能归结于时间变快、或者变慢这种空洞的理念。就像单摆钟在强引力场中变快只是因为强引力让单摆摆动速度加快了，而不是时间变快了。对于原子钟也一样，它的变慢只是由于强引力场对原子的作用使得原子辐射这个物理过程变慢了【证明过程见参考文献1】，也并非时间变慢了。毕竟时间并不是一种能够影响机械装置或者其他物理现象运转的作用力，因此它本身并不能让任何物理过程变快或者变慢。

打破对时间的传统理解

     无论是牛顿时期，还是爱因斯坦时期，时间都被当作真实的物理存在。然而事实上，我们从没有测量过作为独立于物理现象而存在的时间。实验物理学家们只能测量某个物理现象，时钟本质上也是一种对某个重复出现的物理现象进行计数的仪器。即便是开展引力波测量实验，物理学家们也仅能测出光子由于遥远黑洞的影响而发生变化的运动轨迹，而时空的涟漪（即引力波）只是提供了一种数学模型来解释这种现象而已。因此，若某个概念仅存在于数学中而无法真正地出现在物理实验仪器前，那么我们为何还要执着于把它当作某种真实的物理存在呢？

     原子钟在强引力场中会变慢，那么仅凭这一点就能断定在强引力场中的时间会变慢吗，或者说，其他所有的物理过程在强引力场中都会变慢吗？目前已知是不能的，但是为何当代主流学界却普遍地认为时间真的变慢呢？究其原因，大概率是因为大多数人将时间当作真实存在并具有唯一性的物理量，所以只要有一个时钟测出它变慢了，就可以断定时间真的变慢了，继而所有的物理过程也随之变慢。因此，我们有必要打破时间是真实物理存在的观念。如果我们将时间仅仅视作描述物理过程的数学参数，也就不难理解在强引力场中有些时钟会变慢而有些时钟却会变快了。或者说，在强引力场中描述原子辐射的时间变慢了，而描述单摆摆动的时间却变快了。因此谈论时间变快、或者变慢的前提条件就是：要指出这个时间是对应于哪一个物理过程。

     因此，时间是一个描述物理变化的数学参量，它不会脱离物理过程而单独地存在。也就是说，如果不指定某一个物理过程而单独地谈论时间的变化将会是没有意义的。

6. 结论

     相对论所预测的时间变慢，并不意味着所有的物理变化过程都会变慢。由于其它时钟的工作原理未必和原子钟相一致，因此原子钟变慢并不意味着其它所有的时钟也都变慢，比如说单摆钟在强引力场中反而会加快。并且，我们通过一个双时钟版的“双生子悖论”的思想实验指出，相对论所预测的时间延缓效应不会发生在对应于人体衰老这种复杂的生理过程中。

     为了解决上述问题，我们可以在相对论基础上再往前迈出一步：除了引力和参考系之间的速度这两种影响时间快慢的因素之外，时间的流速还和具体的物理过程相关。不同的物理过程会得出不同的时间流速，因此即便在同一个参考系中，时间的流速也不是固定的。归根结底，时间仅仅是描述物理过程的一个数学参数而已。

     或许有些读者会认为单摆钟在强引力场中变慢是由于相互作用引起的，与时间本身的流逝无关。若如此，那我们怎么区分哪些物理过程的快慢和时间本身的流逝有关而哪些又与时间无关呢？为何原子钟的快慢和时间流逝的快慢相关呢？我们又如何证明人体衰老的物理过程是和时间的流逝有关呢？事实上，时钟本质上只是一种数物理现象出现次数的仪器，所有的时钟快慢以及所有的物理现象的快慢均不可归结于时间流逝的快慢，它们变快或变慢都是由某些相互作用导致的。例如当一个人挥舞手臂时，若挥舞频率变慢，这只是由于他的手臂力量减弱导致，而非时间变慢所致。再者，原子钟在强引力场中变慢是由于强引力作用导致原子能级发生了变化，从而使得原子辐射过程变慢，而非时间变慢导致；单摆钟在强引力场中变快是由于强引力使单摆的摆动加快，亦非时间变快所致。

     最后聊点轻松的话题，或许有些读者在一些科幻小说甚至电影里看过主角穿越时间回到过去拯救世界的故事，那么为何现实中我们从没有遇到过未来人呢？现在看完文章后应该知道是什么原因了吧。

     作者：李本良

     新加坡南洋理工大学博士，现任职西南交通大学物理系。