时钟变慢的物理学机制------时频计量没有统一标准

（本文载ctf2005学术交流论文集）

【摘要】时钟的快慢由 gR（即势）决定，gR的背后必然有一种基本存在。相对论提供的时间观跟经典物理学是一致的，而摆钟和原子钟快慢变化规律的背后却存在着更深层次的悖论。物理学理论中的诸多困惑既跟哲学的自然观不妥当有关，又有对时间和空间关系的逻辑定位不恰当的原因。现实生活中需要的是“钟读数一致”，物理学描述自然规律则必须使用“同一台钟”。基于时间有 T∝g^-1/2、T∝ g两种，惠勒所说“相对论和量子论根本不能协调”确实是对的。

【关键词】时间间隔 基本物理量 钟读数一致 同一台钟 逻辑定位

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

时间 T 作为物理学量纲式中三个最基本物理量之一，跟质量 M 和长度L 都有定义非常严谨而精密的计量单位，传统理解的科学主张科学知识必须能由任何一位科学家通过测量予以重复验证，就建立在这个基础之上。

计量时间间隔的单位秒长（简称秒）的定义，历代已经做过多次修改：最初时定义“地球自转周期（即一昼夜）的 1/86400 为1秒 ” ，叫做“世界时” （UT ）；发现地球的自转周期不稳定后，从1886年开始“采用天文观测求得太阳出现在天顶的平均周期（即太阳日）的 1/86400 为 1 秒”。 1960 年第十一届国际计量大会批准：“秒为 1900 年 1 月 0 日历书时 12 时起算的回归年的 1/31556925 . 9747 ”，这种依据地球绕太阳公转定义的计时系统被称为“历书时”，精度提高到 10 ^{- 9} ，相当于每 30 年差± 1 秒。 1967 年第十三届国际计量大会批准，“秒等于铯 ₁₃₃ 原子基态的两个超级精细能级之间跃迁辐射周期 9192631770 倍的持续时间”，被称为“原子时” （TAI ），精度可达10^-13 ，相当于 3 万年差± 1 秒。对计量时间的单位日益精确的定义，大大促进了科学技术的迅猛发展，已成为有目共睹的事实。

然而，自然界时不时总想跟“自以为是”的人类开个小玩笑：你人类可以凭借自己的智慧去修正定义计量时间间隔的单位，我则要使你的检测仪器（钟）会自主地变慢或变快。科学就是在这种被自然“捉弄”和不甘心忍受“捉弄”的对立中发展起来的。

100 年前爱因斯坦用狭义相对论告诉我们，运动物体上的钟会变慢； 10年后他又用广义相对论揭示出，引力势gR越深（即越低）的地方钟就走得越慢。日常生活中的经验是，无论在广州、沈阳还是拉萨，所有的钟记录的时间都是一样的，即任何地方的钟都是同步的。这个悖论整整困扰了我们 100年，迄今为止即使是研究相对论的专家也都无法回答时间究竟是什么，钟为什么会变慢这样的问题。因为计量时间间隔的单位秒，是定义非常严格的物理学概念；钟变慢就意味着秒变长，难道会因为钟在运动或所在位置的引力势变化而影响地球的自转或公转吗？相对论带来的新时间观，跟千百年来人类现实生活的积习直接矛盾，成为 100年来困扰人们乃至专家、学者的一大世纪难题；即使是这种新的时间观在航天和卫星定位等不少领域都已经得到广泛应用，隐藏在背后的物理作用机制却依旧是一个谜。

一、日常积习的错觉

“亚里士多德和牛顿相信绝对时间。也就是说，他们相信人们可以毫不含糊地测量两个事件之间的时间间隔，只要用好的钟，不管谁去测量，这个时间都是一样的”；“这就是大部分人当作常识的观点。然而，我们必须改变关于空间和时间的观念” （1-P27）。被霍金称之为“大部分人当作常识的观点”，是数千乃至上万年人类从日常生活积习中得到的一种错觉；“我们必须改变这种关于空间和时间的观念”，这话虽说没错儿，但是，要改变被传统“凝固”了的积习，绝不是一件容易的事情。

人类社会为了协调群体活动的需求，很久很久以前先民们就开始使用不同的装置记录时间，诸如立个竿子以观测日影的移动，采用沙漏或滴水漏、焚香等作为标准，以确定时间的间隔和具体的时刻。直到摆钟出现之后，才有了全世界统一使用的时间间隔单位 ——秒。

人们从日常生活中获得的时间观念是：时间是客观的（东西），它像水似地自身在那里等速地流逝着，时间间隔具有确定的计量标准——那就是秒。

近代物理学为了能够精确地描述运动，时间的间隔和确定的时刻成为非常重要的物理量，于是就产生了不同地方、不同坐标系“钟读数一致”的要求；而摆钟亦正好可以通过调节摆长 L 达到这个目的，“校钟”即成为日常生活中的一种习惯，迄今几乎所有的电视台和广播电台，都把“校钟”作为义务在履行。

认为计量时间间隔存在统一标准的观念，是日常生活习惯和经典物理学的需求带给我们的错觉。经典物理学在要求“钟读数一致”的同时，还指出同一台钟放在不同的高度或纬度，所记录的数据并不相等；但是，对于这一点只是轻描淡写地提了一下，并没有人去深入思考其中包含的物理意义。

习惯认为“钟读数一致”就表明时间间隔相等是一种错误观念：因为在不同高度或纬度读数一致的钟，其结构（指L ）却不相同，比如广州、北京和北极的g之比为9.788/9.801/9.832，在这三个地方读数一致的钟，就必须满足摆长L之比同样是9.788/9.801/9.832。然而，由Ｔ＝ 可知，同一台钟 T的长短由g决定；若将它分别放在上述三个地方， T 之比即为3.136/3.130/3.129，所记录数据之比当为 3.129/3.130/3.136。T之比即代表秒长之比，由此足可以说明在广州、北京、北极三地，用同一台钟检测到的秒长本来就不相等嘛！

在长达两千年的时间里，被“大部分人当作常识的观点”，很显然是错了。相对论告诉我们钟会因为所处位置的不同而变慢或变快，跟经典物理学理论完全一致，没什么值得惊诧莫名的！反过来说，同一台钟在不同高度或纬度记录的数据不同，其真实内涵即是，对不同高度或纬度时间间隔的计量，实际上并不存在统一而确定的标准。

小结：传统认为时间间隔有确定标准的观念，是在日常生活中依据习惯需求产生的错觉；经典物理学对“钟读数一致”的要求，又为这种错觉披上合理的“科学”外衣，也就为当今的观念“改变”增添了更大难度。实际上对时间间隔的检测，最关键的必要条件是使用同一台钟；在这个前提下，相对论提供的时间观和经典物理学完全一致。传统所谓的“钟读数一致”，只能适用于日常生活——同一台钟和钟读数一致，是两个完全不同的概念，对相对论提供的时间观不能接受，就基于对二者的混淆。现实生活最迫切的需要是“钟读数一致”；而描述自然规律的物理学则必须使用“同一台钟”。

二、关于时间的悖论

无论是摆钟还是原子钟，决定其走时快慢的都是 gR （即势），在这一点上相对论和经典物理学是一致的。但是，这两种理论的背后，围绕着时间却存在一个更深层次的悖论。

十七世纪牛顿的引力论和十九世纪麦克斯韦的电磁理论，“在本质上是相互矛盾的” （ 1-P39 ）；“对于电磁相互作用，相对论提供的时空结构和量子论提供的能量结构，既在逻辑上自洽又与经验相符”，“而那些完全不涉及电磁相互作用的地方往往不令人满意” （ 2-P492 ） ——可以看出所谓的引力作用和电磁作用所描述的“基本存在 ”及作用机制，肯定是存在本质差异的。广义相对论带来的新发现虽说揭示出了这种矛盾的根源，却由于不能正确理解量纲式中 T 和 L 的实质，迄今这种“相互矛盾”和“不令人满意”依旧在困扰着许多前沿的物理学家。

依据广义相对论：钟所处位置的引力势 gR 越深（即越低），就走得越慢，可以简明地记为T∝g （R）。1962年有人在水塔上、下放两只精确的钟，证明底下那只钟确实走得慢些，学界普遍承认这和广义相对论完全一致。

依据惠更斯方程Ｔ＝做成的摆钟，却是随着g的增大而变快，可以简明地记为T∝g^-1/2。迄今为止，并没有人关注由这两个物理定律构成的悖论究竟意味着什么（ 3 ）。

小结：对于由 T ∝ g 、 T ∝ g ^{- 1/2} 构成的悖论，唯一可能的阐释只能是：这两种不相容的时间，分别适用于两类截然不同的“物理实在的实际客体”。

三、物理学的逻辑起点

德谟克利特的原子论认为：“世界只有原子和虚空这两种基本存在，虚空的存在为原子提供运动场所” （ 2-P217 ）。巴门尼德的“存在论”则认为只有“存在”、没有不存在；亚里士多德从逻辑上证明不存在“虚空”，于是就有了长达两千余年的“存在论”哲学。物理学理论的逻辑起点即是物质一元论，也就是将所有的物理客体统称为物质。

从原子论的虚空，到牛顿那独立存在的空间，再到为解释虹吸现象引入的真空，传统理论中对这三种“空”缺乏深入的剖析，是当今困惑的主要根源。亚氏虽说证明了“虚空”不存在，并没有证明“空间”不存在；爱因斯坦说“空虚空间”这概念就失去了意义，意思只能被理解为空间中“有东西”；“真空”本来的意思指没有空气分子的空间，现在指的是“全空间充满着各种各样的场，场的基态是真空，激发态表现为粒子” （ 2-P387 ） ——所有这些一致证明了空间中确实存在着一种用时间和长度概念表述的物理客体； 3k 微波被发现即为之提供了充分而必要的证据。

如果原子论当初不使用“虚空”而使用“空间”这个概念，物理学的逻辑起点恐怕早就建立在二元基础上了。上个世纪之交，由于将德谟克利特的实体原子改为元素原子，促进了现代科学的迅猛发展；当今应该廓清传统对“空间”的错误理解，改一元为二元，即“基本存在”本来就分物质和空间两大系统。

小结：物理学（即自然哲学又叫第二哲学）理论的逻辑起点应该是物质、空间二元论，而不应该使用传统哲学（即亚里士多德所谓的第一哲学）的物质一元论。

四、时间和空间的关系

当今物理学理论中的诸多困惑，除了哲学自然观的原因之外，还因为传统理论中对空间和时间关系的逻辑定位不恰当。

在传统的物理学理论中，空间和时间概念总被并列使用，给人的印象是物质、空间和时间属于同一层面的三个概念，由之引发出一种非常严重的观念性错误。物理量都是可以被精确测定的，物质和时间分别用天平和钟予以测定，而空间呢？有人会回答：用尺子！然而，用尺子测出的叫长度，跟质量、时间属于同一层面的范畴，空间究竟应该放到什么样的位置上去呢？

1953 年爱因斯坦在《狭义和广义相对论浅说》英译本 15 版的序言中补充了几句关于时间和空间的说明：

空间－时间未必是一种可以认为离开物理实在的实际客体而独立存在的东西。物理客体不是在空间之中，而是这些客体有着空间的广延性。这样，‘空虚空间’这概念就失去了它的意义。

实际上他在这里也同样犯了将时间和空间并列的常识性错误，只需要对其中的个别概念略加修改，即可以更正由于传统理论中对时间和空间关系逻辑定位的错误带来的诸多困惑：

长度－时间未必是一种可以认为离开物理实在的实际客体而独立存在的东西。这种“物理实在的实际客体”就叫做空间，它不仅有着用长度度量的广延性，还有着用时间度量的持续性。传统所谓的物理客体都被包容在空间之中；这样，‘空虚空间’这概念就失去了它的意义。

时间和空间两个概念是从属关系，即 T 和L 跟空间的关系，与 M 跟物质的关系完全相同—— 物质和空间用于指代两类截然不同的“物理实在的实际客体”，而 M 和T 、L 则用于指代二者可以被精确测量的属性。对物理学理论而言，只有质量、电量、能量和时间、长度这五个概念，才是真正有用的基本物理量。

“亚里士多德关于称谓和关于基本实体的学说，就发展而为实体的诸属性相互联系而基本实体之间却相互分离的学说了。所有的现代认识论和现代宇宙论都为此问题而大伤脑筋” （4-P289） ——只需要承认物质和空间是指代两类“基本实体”的哲学范畴，而质量、电量、能量（专指量子ε）和时间、长度是指代“属性”的基本物理量，“为此问题而大伤脑筋”的困惑，即可以全部得到冰释。

小结：物质和空间属于物理学理论中误用的两个哲学概念，与之相对应的基本物理量是质量、时间和长度；量纲式中三个基本物理量的实用有效性，就在于 M指代物质、T和L指代空间的本质属性。物理学所描述的即是“实体的诸属性相互联系”的自然规律。

五、惠勒的困惑

当代著名物理学家惠勒指出：“我们常说，物理学中最大的问题是协调量子论和相对论。我现在更鲜明地说：相对论和量子论根本不能协调，除非在这样一种框架中，即在其中没有这两者，没有定律，并且更重要的是‘没有时间’” （ 5-P35 ）。看起来理论物理学真的已经走到了“山穷水尽实无路”的地步，但是，物理学理论中“没有时间”又怎么可能呢？

只需要承认物理学理论的逻辑起点是二元的，就可以顺理成章地说：狭义相对论和量子论所描述的电磁辐射现象属于空间系统的事物，应该使用爱因斯坦时间（即 T∝g ）；广义相对论所描述的是空间系统对物质系统中个体的作用规律，应该使用惠更斯时间（即 T∝g^-1/2 ）——并非是要“没有时间”，而是这两种时间没有统一的度量标准：一种正比于 g，而另一种却反比于 g的平方根。

上述两种不能相容的时间被发现，虽说可以从根本上消除掉惠勒的困惑，却预示了一个更严重的问题：想把所谓的引力也包括在内的大统一理论，没有实现的可能——原因是广义相对论和量子论分别使用上述两种不能相容的时间，亦即是惠勒所谓的“没有时间”。

小结：由于两类“物理实在的实际客体”所使用的时间不相容，或曰没有统一的度量标准，量子论和广义相对论确实是“根本不能协调”的。

综上所述，物理学（自然哲学）的逻辑起点应该是物质、空间二元论，而不是传统哲学的物质一元论。用天平称量和千克计量的质量M，属于物质最基本的特性；用钟检测和秒计量的时间 T ，属于空间最基本的一种特性。空间以用 gR 表征的结构作用于钟，显示的时间间隔为 T ∝ g^-1/2 ；空间中的最小单元（量子），自动地进入粒子被储存或从粒子中放出，显示的时间间隔为T∝g。摆钟和原子钟均因为受gR作用而显示的时间，其快慢变化的规律却正好是相反的，即前者的T 随 g 变大而变小（被称为变快），后者的T却随g变大而变大（被称为变慢）。

参 考 书 目

（1） (英)霍金著 许明贤等译时间简史 湖南科学技术出版社 1995年

（2）董光璧等著世界物理学史吉林教育出版社 1994年

（3）周吉善 时间随R而变的方程郑州防空兵学院学报2003年2期

（4 ）文池主编宇宙简史线装书局 2003年

（5）（美）惠勒著 物理学和质朴性 安徽科学技术出版社 1982年