时间的沙漏

曹则贤

中科院物理所

2016-10-21 09:58:07

转自公众号：中国物理学会期刊网

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NjYwNzM1Ng==&mid=2651588117&idx=1&sn=7f3b4ec760a79e83ada8959fc9dc1de5

子在川上曰：

“逝者如斯夫，不舍昼夜”

———《论语》

1905年是爱因斯坦的奇迹年. 在那一年里爱因斯坦提出了狭义相对论，解释了光电效应和布朗运动. 为了纪念100年前爱因斯坦奇迹般的智慧闪光，联合国把2005年定为世界物理年. 世界物理年的徽标是一个沙漏，也是爱因斯坦狭义相对论基本概念之一光锥的图解.简单的四笔，勾出物理学最最基本偏又最棘手的问题———时间是什么？

再也没有一个物理问题能像时间是什么那样能吸引公众的注意力了. 霍金（Stephen Hawking）的一本《时间简史》能在全球卖出两千多万册，读者的附庸风雅只能算是部分的原因，对时间问题探究的兴趣以及以为对讨论的主题多少有些了解才是主要的. 我儿子就学的中关村第一小学把《时间简史》和《果壳里的宇宙》定为小学生推荐阅读书目，着实把我吓了一跳. 时间是什么？

这是一个人类问了千百万次却还没能给出答案的问题.

关于时间的最朴素的概念来自人类对月换斗移、四季更替的观察以及对自身生老病死之不可抗拒的绝望思考. 人不可能趟入同一条河流顺势就演化出人类关于时间的朴素概念———一条连续的不断流淌的河. 上升到数学的概念，就是一个从任何点开始单向延展的连续的实数，它可作为描述物理事件的参数（parameter），这是牛顿力学的基本假设之一.

物理学关于时间的认识是不断进步、不断深入从而不断让物理学家倍感挫折的过程. 在描述许多物理现象的理论体系中，比如描述地球绕太阳旋转的经典力学，时间的方向不是一个问题! 它的方程在时间反演下依然成立. 也就是说如果把时间t换成-t，物理定律不受影响. 可是，对于热力学系统，时间获得了箭头.

时间是什么还涉及到它在物理学中的角色问题. 在量子力学的框架里，一如经典物理，时间是个参数，而空间位置和动量能量一样，是算符，是需要并且可以测量的力学量. 在量子场论里，空间也成了参数，可空间和时间并非等价的. 费曼积分是需要时间排序算符Tτ专门处理的.

“时间是什么”是一个严肃的物理学基本问题，无疑会引起许多人的的兴趣. 但笔者觉得有必要提醒一下，对时间是什么这个问题的回答，不能是停留在形而上学层次上的思辩；正确的时间概念，应能让我们凭着此概念构建一个更加理性、更加自洽、更加严密的理论物理框架.