測量定義時間

弗蘭克·維爾切克

在歷史的長河中，人類大部分時候都是利用太陽和月亮來計時的。地球自轉一周構成我們的“一天”，繞著太陽公轉一圈便是我們的“一年”，而地球和月球的華爾茲則給了我們“月”的概念。日晷利用物體在陽光下的投影來測定時辰，但它也有明顯的缺陷，比如陰天多云的時候，它就不管用了。

對于更短的時間，人們在數個世紀中都是用沙漏和水鐘來計量的，但它們的精確度容易受到溫度和濕度變化，以及振動的影響。到了中世紀，機械鐘出現了，它由擺錘與精巧的齒輪系統構成，代表了當時的技術巔峰。到了20世紀初，這些基于擺錘和彈簧的時鐘進一步演變成各種做工精妙的鐘表，但它們仍然擺脫不了摩擦的影響。摩擦會妨礙鐘擺移動，還會導致零件損耗。

而對電磁場和物質的更深入理解，讓人們能夠制造更精準的時鐘。電子的流動取代了流沙或滴水，電磁場取代了齒輪，微小的石英取代了彈簧。目前最先進的時鐘利用原子或分子的振動來測量時間。最精確的原子鐘即使經過了相當于宇宙年齡那么長的時間，誤差都不會超過1秒。

當今這些精通量子力學的鐘表匠還在追尋著更高的計時精度。比如，原子核的振動比原子整體的振動更快，因此有可能利用原子核的振動來計時，制造出比原子鐘更準的原子核鐘。精度更高的時鐘可以幫助物理學家判斷時間在根本上到底是連續的，還是由某種尚未探測到的離散單元組成的。更精密的時鐘有著廣泛的用途，比如開發更好的GPS系統，或是探測引力波。

雖然這些時鐘千差萬別，它們給出的時間卻是一致的。我們很容易把這個事實當成理所當然，但其實它是非常不可思議的。人的情緒不同時，感受到的時間流逝速度也不同，可能是白駒過隙，也可能是度日如年。但事實上，時間在極為嚴格地均勻流動，這是一個現實世界的客觀性質，不受人主觀意識的影響。

盡管我們對時間的測量越來越精確，但我們依然不理解時間的本質。在古羅馬神學家、哲學家奧古斯丁的名著《懺悔錄》的第11章中，我們可以找到一段關于時間的最佳哲學討論。奧古斯丁是一位基督教主教，一個信徒問了他一個讓人頭疼的問題：“上帝創造世界之前在做什么？”奧古斯丁曾考慮過類似這樣的回答：“上帝在為那些窺探天機的人準備地獄。”然而他最終決定認真對待這個問題，并觸及了它的根源。

奧古斯丁指出，每當我們使用“以前”或者“以后”這樣的術語時，我們都在談論時間，可它的本質卻似乎很神秘：“時間是什么？如果沒人問我，我知道，可如果我試圖去解釋它，卻又做不到。”但是奧古斯丁發現了一個道理，其中蘊含了后來相對論和量子理論的一個核心思想：如果要理解一種事物，你就必須考慮它是如何測量的。正如他所說：“如果我們不能測量，那它就什么都不是。”

按照這個邏輯，奧古斯丁關于“什么是時間”這個問題的答案很簡單：“時間就是時鐘所測量的東西。”根據這樣的理解，那個信徒的問題就解決了：因為在上帝創世之前沒有時鐘，所以就沒有時間。在當今物理宇宙學中，類似的問題依然存在，比如“大爆炸之前發生了什么”。也許奧古斯丁的回答仍然是我們能給出的最好答案：在無法測量時間的背景下討論什么是“以前”，是毫無意義的。

（選自2019年7月《環球科學》，本刊有改動）

鑒賞空間

巖石記錄時間，測量定義時間，無影無形的時間因而變得真實可感。時間的記錄是一個漫長的過程，巖石經歷了億萬年的歲月變遷，才記錄下了“時間的腳印”;時間的測量也是一個漫長的過程，人們進行了不斷的追求和探索，對時間的測量才逐步臻于精密。

時間到底是什么？奧古斯丁說：“時間就是時鐘所測量的東西。”測量之于時間的意義，可見一斑。

讀有所思

1.請根據文章內容，簡要梳理時間測量的發展過程。

2.文章第7段引用了奧古斯丁《懺悔錄》中關于時間的最佳哲學討論的例子，有何作用？