专题分享丨时间都去哪儿了

当小观遇见客官

时间都去哪了？看到这个主题，读者可能会以为是一篇抒情散文，如果想看优美文字的治愈文章那可能得让您失望了，笔者是学工科出身，文笔确实拿不出手，本文就是想聊聊时间这个主题。

为什么选时间这个主题呢？最近刷微博频频刷出来#张朝阳的物理课#的热搜，里面有推导像质能方程，薛定谔方程这些的过程，我点开了一节课，发现讲的是相对论里洛伦兹变换的推导过程，1905年爱因斯坦狭义相对论的提出对当时人们的时空观产生巨大的冲击。我对自然科学比较感兴趣，那就来一期讲时间的专题吧，于是就有了本期内容。

看张老师在台上洋洋洒洒的推导公式，顿时对张老师心生敬意 （我不是粉也不是黑，纯路人），只是觉得互联网大佬经历多年商场的明争暗斗后还能清晰记得自己当年学术专业知识，说明是真的热爱，MIT的PhD不是白读的。张朝阳之前被网友吐槽的金句“我这么有钱，真的是想买什么买什么，但是发现我竟然这么痛苦。”也许是成功之后看尽了世间繁华嘈杂，找不到自己下一个目标方向，不知道自己要的是什么才是最痛苦的。我看微博网友评论“看出来了，他现在真的很快乐”现在张老师上课眼里都有光了。

找到自己真正想要的，有意义的事情真的很重要，年轻人不要纠结于每天繁重的工作制造焦虑，卷来卷去，花点时间研究研究自己，搞清楚自己的方向，自己真正想要的才是最重要的。

说到本文的主旨就是时间，提到时间，人们会联想到空间，用时间+空间来描述物质的运动。在20世纪以前，经典力学认为时间和空间是两个独立的概念，与运动着的物质没有任何联系，估计很多人都会认同这一种观点，因为我们在日常生活中感受到的就是这样一种情况，时间对于每个人来说都是公平的，空间与时间没有表现出任何联系。实际上这是人们在宏观低速状态下的经验总结。直到爱因斯坦提出的相对论彻底改变了牛顿经典力学的绝对时空观，在相对论中，时间和空间都具有相对的意义并且是相互联系和制约的，物质的运动对时间和空间有一定的影响。

牛顿

在牛顿逝世104年后，诞生了一位天才——麦克斯韦，这位天才距离牛顿于1687年发表《自然哲学的数学原理》后相隔186年，出版了《论电和磁》这部物理学经典。麦克斯韦提出了麦克斯韦方程组，统一了“电”和“磁”，并提出了电磁波的概念，还预言光是一种电磁波。自诞生以来，麦克斯韦方程组就被人们认为是“世界上最美的物理公式”。麦克斯韦方程是不需要参考系的，说白了就是：电磁波速度，或者说光速是不需要相对于某个参考系而言的，在任何惯性参考系下，光速都是3×10^8m/s。这就和牛顿力学是相互矛盾的。可是，牛顿力学是那么正确，观测和理论完美的匹配。而麦克斯韦方程也同样坚如磐石，能够很好地解释电磁现象。那到底是哪里出了错？

麦克斯韦方程组微分形式

为了调和这种矛盾，当时的科学家认为光传播的速度应该是相对于它的介质的，而不是绝对的，普遍认为空间中布满了一种叫做“以太”的物质。以太对于光（电磁波），就如同水对于水波一样。看起来十分完美有没有？但科学不能光靠想象力，得找出证据，那就做实验吧，结果迈克尔逊-莫雷实验却证明了“以太”并不存在。

想必大家都听说过“物理学界的两朵乌云”这个比喻吧，出自1900年开尔文勋爵在英国皇家研究所的科学报告会上。这两朵著名的乌云，分别指的是经典物理在光以太和麦克斯韦-玻尔兹曼能量均分学说上遇到的难题。说具体一些就是在迈克尔逊-莫雷实验和黑体辐射研究中的困境。第一朵乌云，最终导致了相对论革命的爆发。第二朵乌云，最终导致了量子论革命的爆发。当时参会的科学家们绝对无法想象，正是这两朵不起眼的乌云会给物理学带来伟大的新生。本文主要聊聊第一朵乌云，至于第二朵乌云指的是黑体辐射实验和理论的不一致，属于量子力学范畴，不做过多讨论。

迈克尔逊-莫雷实验，他们俩本来想检测地球在以太中的运动，对干涉仪垂直方向上的光速造成的差异，最后却发现光速没有变化，证明了以太并不存在。这个实验是物理史上最有名的“失败的实验”，在当时物理界引起了轰动，因为“以太”这个概念作为绝对运动的代表，是经典物理学和经典时空观的基础。所有的物理学家看到这个结果都有点发懵，这意味着经典电磁学和牛顿力学有不可调和的矛盾。

于是，科学家们又开始开脑洞，其中最有名的就是洛伦兹和庞加莱。如果非要给两个人找到共同点，那一定是：距离狭义相对论最近的男人。洛伦兹左手一个“伽利略变换”，右手一个“光速在惯性参考系下速度不变”，然后把它们结合起来，弄出了一个连他自己都无法理解的东西，这东西就叫做：洛伦兹变换。杨振宁曾经在他的文章《机遇与眼光》写到“洛伦兹有数学，但没有物理学；庞加莱有哲学，但也没有物理学。正是 26 岁的爱因斯坦敢于质疑人类关于时间的原始观念，坚持同时性是相对的，才能从而打开了通向微观世界的新物理之门。”

到了这儿，迎来了本文的主人公——爱因斯坦，他之所以能够提出相对论，在于他从小就坚持的“怀疑态度”，他会对所有权威产生怀疑，敢于对任何社会环境里既存的信念持一种怀疑态度。

1905年，26岁的爱因斯坦以“光速不变原理”和“相对性原理”为基础假设，推导出了狭义相对论。在他之前，没有人敢于质疑空间和时间，大家都觉得空间和时间是绝对的，但爱因斯坦觉得不对。在狭义相对论中，空间和时间并不相互独立，而是统一的四维时空整体，不同惯性参考系之间的变换关系式与洛伦兹变换在数学表达式上是一致的。设想有两个惯性坐标系S系、S'系，S'系的原点O'相对S系的原点O以速率v沿X轴正方向运动。任意一事件在S系、S'系中的时空坐标分别为（x，y，z，t）、（x'，y'，z'，t'）。t、t'分别是S系和S'系时刻。

同一个物理事件在S系和S'系中的时空坐标由下列关系式联系：

这个关系式称为洛伦兹变换（具体的推导过程感兴趣的同学可以上网搜）。不同惯性系中的物理定律在洛伦兹变换下数学形式不变，它反映了空间和时间的密切联系，是狭义相对论中最基本的关系。洛伦兹变换是高速运动的宏观物体在不同惯性参考系之间进行坐标和时间变换的基本规律。当相对速度v远小于光速c时，洛伦兹变换退化为经典力学中的伽利略变换：

所以，狭义相对论与经典力学并不矛盾，狭义相对论将经典力学扩展到了宏观物体在一切运动速度下的普遍情况，经典力学只是相对论在低速时（v远小于c）的近似情况。

有了洛伦兹变换公式，大家就好理解了时间膨胀和长度收缩现象。也就是观察者的速度会影响空间和时间的尺度。

根据上式，移动速度v越大，则时间间隔也就越大，也就是时间变慢了，当运动速度接近光速时，时间就几乎停止了。这也就是为什么电影《星际穿越》男主出去星际之旅一圈回来后比女儿还要年轻那么多的原因。

聊到这儿，大家应该对时间的认知更深入了，在宏观高速运动的情况下（速度在光速的十分之一以上这个量级），时间膨胀才会非常明显，而在宏观低速的情况下，就是人们日常感知的世界。

说了半天狭义相对论，那广义相对论呢？狭义相对论的一个重要前提是惯性参考系，而广义相对论把惯性参考系扩展到了所有参考系，揭示了引力的本质就是时空的弯曲，这部分有机会以后再聊。

说了半天时间的认知，那时间都去哪了？时间到底是如何流逝的，它指向哪里？没有人知道，直到一个神理论出现，人们才对时间的方向有了初步的了解，这个神理论就是热力学中的熵增定律。

什么是熵？

熵的物理意义是体系混乱程度的度量，简单解释一下就是分子排列越有序的体系，熵会越小。体系的混乱度越大，熵就会越大。在一个孤立的体系中，熵永远是朝着增大的方向进行，也就是说，一个孤立系统一定会朝着混乱度增加的方向进行。

我们举一些简单的例子来理解熵增定律，例如：一杯开水放着放着就会变凉，我们的手机会越来越卡，衣服会越来越旧。之所以会如此，就是因为熵在不断增加，在没有外界输送能量的情况下，总混乱度会越来越大。熵增代表了时间的方向，整个宇宙中无序度的增加是不可避免的，而且无法反方向操作。这是一种时间流向的说法，不过目前没有任何证据证实。