物理学与时间

吴国华 冯建兵

(1. 江苏省平潮高级中学，江苏 南通 226000； 2. 新疆伊宁县第二中学，新疆 伊宁 835100)

物理学研究宇宙间物质存在的各种基本形式，它们的性质、运动、转化及其内部结构，从而认识这些结构的组成及其相互作用、运动、转化的基本规律.宇宙间物质存在的基本形式是空间和时间，其中空间用以描述物体的位形；时间用以描述事件之间的顺序.时间和空间的物理性质主要通过他们与物体运动的各种联系表现出来.本文略去物理学中空间的性质，因为这与物质构成的复杂结构有关，既复杂，又很有用.本文着重介绍物理学与时间的一些内容.

人类对时间的认识来源于对自然的观察.天体运动造就了昼夜、月相、季节等有近似固定的周期，而在地球上生存与进化的生物体在进化过程中也形成了与天体运动相匹配与和谐的节律.为了使这些周期为人类所用，把握好农业、祭祀、军事等社会活动的时机，古人设置了复杂的历法规则，创造了以年、月、日为标度的长标度时间体系.随着科学的进步与人类认识的提高，又进一步确定了以时、分、秒为标度的短标度时间体系.当这些时间标度被数学化、量化以后，人们对大自然观察的时间就成为可以测量的时间.

时间的测量可以通过某种选定的物质运动过程来进行.通常所说的时间计量实际上包含了两个既有联系又有差别的内容.(1) 时间间隔； (2) 时刻的测定.时间间隔是指客观物质运动的两个不同状态之间所经过的时间历程；时刻是指客观物质在某一运动状态的瞬间与时间坐标轴原点之间的时间间隔.由于客观物质在运动和发展过程中存在千差万别，因而时间坐标轴原点的选择具有任意性和实用性.现在我们知道宇宙起源于奇点的大爆炸，但我们讨论宇宙中任一物理过程时，完全不必要都选用宇宙奇点大爆炸作为时间坐标轴原点.这里我们就长标度时间体系的历法和短标度时间体系的时钟分别作简单介绍.

1 长标度时间体系

历法是推算年、月、日的时间长度和它们之间关系而制定时间序列的法则.由于生产和生活的需要，古代人动脑筋研究昼夜、月相、季节变化的规律以及其计量方法，从而定出年、月、日的时间长度.其中“日”的长度是根据太阳每天的视运动定出的；“年”的日数和月数以及“月”的日数按观察的天象定出，也有的是人为规定的.因为纯粹按天象确定的年和月所包含的日数不是简单的有理数，例如按季节变化的年(即日归年)为365.24220日，按月相变化的月(即朔望月)为29.53059日，但制定历法又必须使年的日数、月数和月的日数为整数，因此各国历代制定的历法侧重各不相同，大体分为3类：第1类叫太阳历，简称阳历，公历.以地球绕太阳公转运动(其视运动是太阳在天球上的视位置东升西落)为基础的时间单位称为“年”.根据天球上不同的参考点计量的太阳周年视运动又可分为各种各样的“年”，常用的有回归年(365.24220日)、恒星年(365.25636日)等.第2类叫太阴历简称阴历，以月球绕地球公转运动为基础的时间单位称为“月”(朔望月).国际上伊斯兰国家和地区均采用阴历，中国民间又称为“回历”，而中国民间通用的历法称为农历，则是以朔望月为月的单位，以回归年为年的单位，故属于“阳历”，民间有人称中国农历为阴历，是一种误传，大概是受朔望月影响较深的缘故.农历中一年(回归年)不是只有十二月(朔望月)过了两、三年要增加一个月，叫闰月(总的说来过19年有7次闰月，比如2020年庚子年就要闰四月)，这是因为农历中的朔望月12个月才有354日或355日，要比回归年365日或366日少11日，故农历中会出现闰月.

由于回归年时长为365.2422日，比365日的整数长0.2422日，故阳历也有闰年，即每隔4年增加1日，这1日就放在二月份，因为二月只有28日逢到闰年(阳历年分为4的整数倍，比如2020年)，二月增加1日为29日，称为闰年(比如2020年2月为29日)，但4年一闰又让0.25大于0.2422，故国际上又规定纪元为100整数倍的那一年要少闰一次，比如2000年虽然是4的整数倍，但不是闰年.

还要说明的是中国农历中还有二十四节气，其实这节气的日子是根据地球绕太阳公转的位置来定的属于农历中的阳历范畴，与阴历无关，故农历中二十四节气在回归年的12个月中位置相对固定，即每月上半月(一般是4-6日)有一节气(或中气)，下半月(20日前后)有另一节气.

中国历法中叫干支纪年、干支纪日的历法，它是以10个天干：甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸和12个地支：子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥顺序相配组成，从甲子、乙丑、丙寅、丁卯……直到癸亥，共六十序列通称六十甲子，干支在中国历法上占有重要地位，早在殷商时代就已使用六十干支来纪日，纪年，这在阳历没有传入中国前是中国历法中用来记载历史事件的重要参照.古人还有单用地支来纪时间的，就是将1日均分为十二个时段：子时为现代的23点至1点，丑时为1点至3点，午时为11点至13点，亥时为21点至23点，简称为十二时辰.这种时间分段，在中医养生中广为应用，这也是中华文化的又一瑰宝.

2 短标度时间体系

短标度时间体系脱胎于长标度时间体系，它源自生物体在进化过程中形成了与自然界节律相和谐的种种周期.人们把这些周期相匹配创造了与自然无象无关的更为实用的短标度时间体系：时、分、秒.当这些时间的短标度被量化，被数学化以后，大自然的天文学时间就变成可以测度的时间.古人类首先想到的人类自己的脉博节律，生老病死的周期，人类的“现在”正在逐渐进入“过去”，而“未来”正在进入“现在”，人死不能复生，覆水不能再收.“时间之箭”是一条单向的、线性的、均匀的流向.于是抽象的、自然的时间就被一种形象化的计时工具——钟表所代替.

最早的能不间断运行的计时工具是以重力为动力的机械钟，它出现在欧洲的教堂和钟楼里，起初只是报时，后来又细分为分和秒，但这种机械报时钟走时极不准确，每天的误差达十几分钟.

到1583年伽利略发现了摆的等时性——摆的周期与摆长的平方根成正比(这是最原始的秒摆).利用这一原理惠更斯于1657年制成了摆钟，又于1675年发明了摆轮和游丝，使机械钟的误差减少到每天1 min以内，也为新式钟表的诞生铺平了道路，其影响直到现在人们还都把钟表与时间混同起来.

客观、数学的钟表时间改变了人们的日常生活，时间已成为人类的公共产品，在物理学中，推崇四维时空.而在人们日常生产生活中，强调时间、地点，这是一脉相承的.时间的演化又将效率置于前所未有的地位，因为效率是离不开时间的.随着科学技术的进步与发展，人们对时间的精度要求越来越高，比钟表更精确的计时工具不断涌现.

时间的单位是s(国际单位制中)，最早是利用地球自转运动来计时的，19世纪末，将一个平太阳日的1/86400作为1 s，被称为世界时·秒，由于地球自转存在不规则变化并有长期减慢的趋势.不能保持恒定，其准确度只能达到10-9.这种计时方式实质上是采用天文钟，1967年国际计量大会采用铯133原子基态的两个超精细能级之间跃迁相对应的辐射的9192631770个周期所持续的时间定义为1 s(铯原子钟)称为原子·秒，其精度达10-13,这一进步充分体现了物理学对时间计量进步的贡献.

进入21世纪，宇宙探索，航天事业发展，宇宙空间定位，对时间精度要求更高.当数学的社会时间统一了世界，也切断人与自然的联系，人的个体行为必须与社会、集体确定的时间相协调，时间已成为人们生活的指挥棒.物理学中的时间取代了社会中的传统权威，人没有钟表、不讲时间将无法立足，无法生活，社会会立刻陷于瘫痪.