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载《物理教学探讨》2007年10月上半月号


真的时间简史

江晓原

 

  世界上有那么一类词汇,它们实在是太基本了,以至于为了解释一个这样的词汇,人们必须引入一大堆比这个词汇复杂得多的词汇,而且事实上会越解释越糊涂。“时间”就是一个这样的词汇。似乎谁都知道时间是什么意思,可是又没有人说得清时间究竟是什么东西。哲学家那些玄而又玄的套话(比如“时间是物质存在的基本形式之一”),往往使人越听越糊涂;而霍金那本大名鼎鼎的《时间简史》,里面实际上却是谈宇宙学的。
  时间看不见,摸不着,却能感觉得到。感觉是由人来感觉,这就不可能有一个普遍的标准了。小娃娃只恨自己长大得太慢,感觉时间是如此的难以打发;中年妇女虽善加修饰,而揽镜自照,但见红颜暗老,不觉悲从中来,感到人生如白驹过隙。关于人们对时间感觉之不同,有一段相传是爱因斯坦的名言,表达最为透彻:“你坐在一个火炉上,一分钟好像一小时;而你和一个漂亮姑娘坐在一起,一小时就好像一分钟。”这虽是俏皮话,但若真是从爱因斯坦口中说出的,那就不同凡响了──他可是对人类理解时间作出了最大贡献的人。

  最先帮助人类感觉到时间的是天体。太阳和月亮这两个最重要的天体,东升西落,昼夜循环;恒星则在夜晚天球上的运行。是这些周期性的天象使人类开始明确地感觉到时间的流逝,可以说天体就是人类最早的钟表。
  在平整的地面画一个圆,在圆心处竖起一根垂直的杆子,一个最原始的钟表就造成了。这垂直的杆子古代中国称为“表”,我们今天“钟表”一词,就和这根杆子大有渊源。每天太阳东升西落,表的影子就会由西向东移动。记下太阳升起在地平线那一瞬间,表影(此时几乎是无限长)与圆周的交点;再记下太阳没入地平线那一瞬间表影与圆周的交点,这两个交点将圆周分割成两段圆弧,对于北半球──几乎所有的古代文明都发生于北半球──而言,北段的圆弧代表白昼的长度,南段的自然就代表黑夜的长度。这两段圆弧的比例每天都会有微小的变化。
  这样,先民对“日”已经开始有某种比较明确的概念了。也许你会接着推想:只要在圆周上刻上刻度,岂不就可以测量更小的时间单位,比如说“小时”了?但是且慢,事情没有那么简单,要想在这样的圆周上读出正确的时刻,需要用到一门称为“投影几何”的学问,可是中国先民们不懂这玩意儿。
  然而先民自有他们的智慧,那根“表”自有妙用,让我们接着看下去。
  随便哪一天,只要在上述日出日落时刻表影与圆周的两个交点之间连一直线,构成线段,则此线段之垂直平分线,就是当地的子午线──指示正南北方向。
  现在,先民们已经可以进入测量的境界了。
他们先将每天表影投在子午线上的时刻定义为当地的正午。随后,他们中间的某些人(也许是该部落的祭司或巫觋),每天观测表影,他们会发现,每天正午投在子午线上的表影会发生变化——表影在冬季时变长,夏季则变短。冬季中有一天表影会达到最长,这一天被称为“冬至”;夏季中有一天表影会达到最短,这一天被称为“夏至”。现在,先民们又测得了一个更长的时间单位──两次冬至之间所间隔的时间,就是一年。在天文学上称为“回归年”,长度是365.2422天。

  为了计量一天之内的时间,古人可是费尽心机。
  沿着利用日影计时这一最古老的思路,古人发明了日晷,即在某种固定的基座上安置一个圆盘,盘中心竖立一指针,圆盘周围有刻度,在太阳下观察指针在圆盘上的投影,可以让人直接读出时间。“表”如果配上地面适当的刻度划分,就可以成为一个地平式日晷。古希腊人已经掌握了投影几何,地平式日晷的刻度问题就不难解决。中国古代几何学不发达,就发展了赤道式日晷──将圆盘安放在赤道面内(办到这一点中国人并无困难)。赤道式日晷尽管安装比较复杂,但在刻度上则相对简单,故中国古代流行赤道式日晷。
  然而日晷只能在晴天使用,要获得全天候的计时工具,还需另想办法。
  今天我们想必已经对windows默认状态下程序启动时鼠标箭头所变化成的形状熟视无睹了,这个形状正是古代最重要的计时仪器“沙漏”的形状──上部的沙经过瓶颈缓慢漏入下部,漏完表示一个时间段,只要将沙漏翻过来摆放,就可以开始计量下一个时间段。微软将等待时的鼠标箭头设计成沙漏形状,正是表示“请你稍等”。
  漏的也可以不是沙,而是水,这就成了“水钟”。中国古代的“漏壶”也是同样原理。漏壶还有刻度装置,所以又称“漏刻”或“刻漏”。古代皇家天学机构中专门设有“刻漏博士”的职位。除了“漏”,另一个重要的思路是“烧”。通过计量灯点燃时所耗费的油量来计时,更多的是通过香缓慢燃烧来计时。旧时小说中常有“一柱香功夫”之类的说法,正是古时燃香计时的余韵。
  古人也发明了机械的钟表来计时,但这些装置通常都是帝王宫廷中御用之物,在中国古代则常被作为皇家“礼器”,非老百姓所能问津。到1657年,惠更斯发明了摆钟,1673年又采用摆轮—游丝系统,造出了可以便携的表。此后钟表才得以进入寻常百姓家。
  现代社会中的时间是“掌握”在天文学家手中的,由他们向公众发布标准的时间,这称为“授时”或“时间服务”。中国古代有“观象授时”的名言,意思就是观察天象以便向公众发布时间(本质上包括各项工作的时间表)。中国许多古老城市中还保留着“鼓楼”的建筑或地名,这鼓楼就是古代用来发布标准时间信号的。有许多城市在正午放炮,也是一种时间信号。夜间打更敲梆子,也是同样的作用。
  现代天文学家手中的精密计时工具,则经历了天文摆钟、石英钟(利用石英晶体振荡的稳定频率)、原子钟三个阶段。1967年,以铯原子的跃迁频率为基础,规定了“原子时”的秒长,成为目前国际通用的时间计量标准──这个标准值已经和天体运行没有关系了。

  年、月、日、时这些单位既然都有办法计量了,接下去就要创造历法。许多古老文明都创建了自己的历法。以月亮圆缺为基准的称为“阴历”(比如伊斯兰历法),以太阳周年视运动──实际上是地球绕日公转的反映──为基准的称为“阳历”(比如现在国际通用的公历),兼顾上述两者的是阴阳合历。中国的农历虽然被习称为“阴历”,实际上却是阴阳合历。
  现行的公历身上故事不少。公元前46年,当时罗马的统治者儒略·凯撒制定了历法,通常称为儒略历,即现行公历的前身。儒略历在西方世界通用了一千五百余年,这在历法史上也是一个叹为观止的纪录了。到1582年,罗马教皇格里高利十三世实行历法改革,颁布了新的历法,通常称为“格里历”,就是今天全世界通用的公历。
  由于先前儒略历的回归年长度与实际长度之间有微小的误差,这点误差经历一千五百余年,已经积累到了约10天之多,因此格里高利十三世指定:公元1582年10月4日的下一天是10月15日,这样就凭空消除了10天的误差。格里历还改变了置闰的规则,以保证误差尽可能少积累起来──迄今世界还未出现绝对没有误差的历法。
  近年有“夏商周断代工程”,许多民间爱好者的热情又受到新的刺激,他们纷纷自己推算某些历史事件的年代,但往往陷于错误之中。据迄今所见到的一些例子,一个常见的错误,就是不知道儒略历和格里历交接时有10天的跳跃,以为可以用现行公历一直向前推算,结果自然劳而无功。
  由历法自然就要涉及“世纪之交”的话题。
  17年前,关于1990年究竟是80年代末还是90年代初,就有过争论。正确的方案是:1990年应该是90年代之始──这是约定俗成的指称方法。从语言文字的角度来看也更合理。比如,英语中把“90年代”用“1990s”来表达,这个表达式本身就指明了以1990年为“90年代”之始,否则的话,怎么可能用一个不属于这一“十年代”的年份来表征该“十年代”呢?汉语说90年代”,同样是用1990年来表征的。“21世纪从哪年开始”实际上与这是同一个问题。依据上面的逻辑,21世纪当然从2000年1月 1日就已经开始。
  其实这归根结底只是一个“定义”问题,本无所谓对错,自然应该以“约定俗成”为好。至于世纪其实在2000年已经“交”过一把了,但后来从商业角度出发,从媒体炒作的需求出发,2001年又“交”一把,当然也无不可,这就象有人过了“阳历生日”,又要过“阴历生日”一样,也没有什么是非对错。

  在迄今人类所能掌握的物理规律中,时间始终是不可逆的──你回不到已经过去的前一秒钟。根据大爆炸宇宙学说,时间和空间都只能从一个奇点上开始。时间单向延伸,如东流逝水,一去不回。
  但是,希望“时光倒流”一直是人类最重要的梦想之一。考古学家发现,在昔日的玛雅文明中,玛雅王室贵族经常沉湎于某种与时间有关的法术之中,他们希望借此与已经逝世的祖先进行沟通。欧亚大陆上各古老文明中,许多巫术或神秘主义法术也以左右时间为诉求,诸如返老还童、长生不老、知晓前世、预知未来等等。
  在当今的科学幻想作品中,“时间机器”是最常见的主题之一。在这些作品中,人可以在“时间机器”中出入往返,可以返回昔日世界,也可以预先访问未来。这当然是人类古老梦想的现代版。近来甚至有人宣称已经可以造出“时间机器”,可以实现人类从1895年威尔斯的科幻小说《时间机器》(The Time Machine)开始的一个梦想了。
  当然,目前绝大部分物理学家还不相信“时间机器”真的能够造成,我们现在也无法确知“时间机器”究竟存不存在。但人类不能没有梦想。

 

 

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