匿名使用者 1級 2016-12-20 回答

定義：（物理學定義）時間是事件發生到結束的時刻間隔。 時間的基本概念 一切宏觀物質狀態的變化過程都具有持續性和不可逆性，此性質是它們共同的屬性，而此連續事件的度量稱為時間。 目前最廣泛被接受關於時間的物理理論是阿爾伯特·愛因斯坦的相對論。在相對論中，時間與空間一起組成四維時空，構成宇宙的基本結構。時間與空間都不是 愛因斯坦絕對的，觀察者在不同的相對速度或不同時空結構的測量點，所測量到時間的流逝是不同的。狹義相對論預測一個具有相對運動的時鐘之時間流逝比另一個靜止的時鐘之時間流逝慢。另外，廣義相對論預測質量產生的重力場將造成扭曲的時空結構，並且在大質量（例如：黑洞）附近的時鐘之時間流逝比在距離大質量較遠的地方的時鐘之時間流逝要慢。現有的儀器已經證實了這些相對論關於時間所做精確的預測，並且其成果已經應用於全球定位系統。 就今天的物理理論來說時間是連續的，不間斷的，也沒有量子特性。但一些至今還沒有被證實的，試圖將相對論與量子力學結合起來的理論，如量子重力理論，弦理論，M理論，預言時間是間斷的，有量子特性的。一些理論猜測普朗克時間可能是時間的最小單位。 根據史提芬·霍金（Stephen W。 Hawking）所解出廣義相對論中的愛因斯坦方程式，顯示宇宙的時間是有一個起始點，由大霹靂（或稱大爆炸）開始的，在此之前的時間是毫無意義的。而物質與時空必須一起並存，沒有物質存在，時間也無意義。 從人類的開始人們就知道時間是不可逆的，人出生，成長，衰老，死亡，沒有反過來的。玻璃瓶掉到地上摔破，沒有破瓶子從地上跳起來合整的。從經典力學的角度上來看，時間的不可逆性是無法解釋的。兩個粒子彈性相撞的過程順過來反過去沒有實質上的區別。時間的不可逆性只有在統計力學和熱力學的觀點下才可被理論地解釋。熱力學第二定律說在一個封閉的系統中（我們可以將宇宙看成是最大的可能的封閉系統）熵只能增大，不能減小。宇宙中的熵增大後不能減小，因此時間是不可逆的。 時間定義：人類在生活中總結出時間的觀念，其根源來自於日常生活中事件的發生次序。當然人們在生活中得到的絕不僅僅是事件發生次序的概念，同時也有時間間隔長短的概念，這個概念來源於對兩個過程的比較——比如兩件事同時開始，但一件事結束了另一件事還在進行，我們就說另一件事所需的時間更長。這裡我們可以看到，人們運用可以測量的過程來測量抽象的時間。 在物理學中也是類似，時間是透過物理過程來定義的，首先在一個參考系（要求是慣性系，或者是非慣性系，但過程發生的空間範圍無窮小）中，取定一個物理過程，設其為時間單位，然後用這個過程和其他過程比較，以測定時間。 但測量時間（即上述比較過程）必須有同時性概念。過程開始有一個同時性問題，過程結束也有一個同時性問題——最簡單的例子：我們要求運動員在發令槍開槍同時起跑，同時計時員開始計時，並在運動員抵達終點線時計時員必須同時停止計時。 這個問題具體見各類相對論書籍。同時性問題，使得古典牛頓力學、狹義相對論和廣義相對論有著不同的“時間”。直觀概念告訴我們：任何人在事件是否同時上是可以達成一致意見的（也許某些人會欺騙別人，造成類似偵探小說或政治小說中的情形，不過這是人類“高智商”的表現，我們完全可以用測量用的儀器來代替：），所以我們之後不說人，而說觀察者）在相對論中，觀察者的運動狀態引起同時性的變化，或者說觀察者1以v1運動，認為同時的兩件事，以v2運動的觀察者2可能會認為不同時——這導致時間測量的相對性。 從數學上說，古典牛頓力學中時間引數只有一個，所有參考系共享此時間引數。這其實就是假設所有參考系，所有空間位置可以共享同一個同時性定義。 而狹義相對論認為不同參考系就不同時了，即不同參考系有各自的時間引數t，其間關係由洛倫茲變換決定。廣義相對論認為不同地點也會不同時，廣義相對論中關於時間有比較複雜的內容，參見廣義相對論書籍。 當然請注意：嚴格說這不是簡簡單單的“認為”，而是基於兩個假設：狹義相對論是光速不變原理。廣義相對論是引力本質為時空彎曲等。而這兩個假設得到了實驗的廣泛驗證。 上面我們說完了時間間隔測量的問題。但前面也提到：時間的先後次序是人們在日常生活中對時間的第一印象。古典牛頓力學中，這一點很容易理我們有唯一的時間引數t，所以任意兩事件（一個發生在t1，另一個發生在t2）也就有確定的先後次序。那麼相對論中呢？相對論中同地兩事件先後順序的確定的，這可以從洛倫茲變換直接看出。但可以肯定，相對論中不同地兩事件的先後次序也是隨參考系（我很願意這麼說：儀器的運動狀態不同，這樣能夠把事情的本質說出來）不同而不同的。但這裡就有一個問題：會不會有可能在參考系1中事件a先於事件b發生，且事件a的發生影響了事件b的發生（最極端的情況，使得b無法發生，譬如一個孩子殺死了他年輕的祖父），而在參考系2中正好反過來？如果是這樣，物理學乃至一切原理中最重要的一個基本原理——因果律將轟然倒塌。所以這個問題是非常重要的。讓我們嚴格敘述這個問題：事件a發生，併發出訊號（廣義的訊號，涵蓋一切可以影響到b的方式，但由於a，b不同地，這個訊號就需要一定時間的傳播），影響b。另一個參考系中正好相反。值得慶幸的是：可以用洛倫茲變換證明，只要訊號速度不超過光速（最多使用光，光速），訊號就不可能先於b的發生傳遞到b所在位置。 另外說一句：狹義的另一個假設：任何物理系中物理定律有著相同形式，也是廣義相對論所服從的。換句話說，參考系1中對一個物理過程加以測量，得到l1=v1t1。參考系2中加以測量同樣也會得到l2=v2t2，儘管可能l1，v1，t1和l2，v2，t2都不相等。當然嚴格說這個例子不合適，因為v的定義位置向量導數。但是對一些複雜的物理學定律，如麥克斯韋方程組，這個假設就很重要了。 時間箭頭 下面說說時間箭頭。在以上的討論中，我們從時間間隔和先後次序兩方面討論了時間，卻忽略了時間很重要的一個特性：時間箭頭。子曰：逝者如斯夫，不捨晝夜。人生百年，逝去就沒有重生的餘地。但覆水難收的又何嘗僅僅是人生！物理學理論告訴我們：凡是與熱現象相關的物理過程，都是不可逆的。這裡的不可逆，不是絕對意義上的不可恢復，而是說：這些物理過程產生的結果不可能在不造成其他影響的情況下完全恢復。這就是大名鼎鼎的熱力學第二定律。 下面給出兩個熱力學第二定律的表述： 1。低溫熱源不可能將熱量自發傳遞給高溫熱源（或不可能從低溫熱源將熱量傳遞給高溫熱源，並不產生其他變化） 時間的表現2。不可能從單一熱源吸熱完全轉化為機械功，並不引起其他任何變化。 可以證明兩表述等價。後一個表述有明顯的工程痕跡——這來源於對蒸汽機一類將熱轉化為功的工程機械的研究。這些研究大都與當時那個工業革命的時代相聯絡，在今天已經沒有太多純理論的價值，但卻有一種東西，雖然主流研究已經基本絕跡，還是有非專業學者前仆後繼地加以研究，那就是第二類永動機。第二類永動機是這樣一種機器——給它一定能量，讓它開始執行，接下來它可以將由於摩擦等耗散因素耗散掉的能量全部吸收，接著再將這些能量投入回機械的能量迴圈。這樣的一個永動機如果造出，就意味著我們有辦法用今天開採出的能源維持機械的永恆運動（因為一切耗散掉的能量都可以重新利用），使得世界以現今的能耗速度執行到世界末日！但熱力學第二定律很明確地告訴我們：這是不可能的。耗散掉的能量（內能）絕不能完全轉化為耗散前的形式（機械功），這破壞了無論古典牛頓力學還是相對論中的，基本原理的無時間方向性。那麼這是為什麼呢？ 熵 為了理解這一點，我們必須引入熵的概念。由於在經典熱力學中，引入熵的概念需要很多技術性內容，這裡不加贅述，可以參見任何熱學教本。這裡只給出熵的一個性質：任何絕熱（也就是孤立，不被外界所影響）熱力學過程，只要初始狀態和末態是平衡態（經典熱力學中熵對平衡態才能定義，對於這一點的誤解，曾導致了熱寂說），末態的熵一定大於初態的熵。簡單說，孤立體系向著熵增加的方向發展。注意，一般熱學書中會說：不可逆絕熱過程熵増，可逆絕熱過程熵是不變的。但其實可逆過程不是真實存在的過程——真實存在的宏觀過程，只要其中分子有熱運動，過程就是不可逆的。（在超流等現象中，存在可逆宏觀過程，但這時超流部分沒有熱運動） 但熵究竟是什麼？玻爾茲曼用一個公式告訴了我們S=klnw，其中k為常數，w為熱力學機率（關於物質的分子、原子運動的量，在經典熱力學的情況表徵體系混亂程度的量）。他用統計方法證明了，平衡態下這個公式給出了前面所說的熵。也就是說，在經典熱力學的意義下，熵意味著事物朝混亂的方向發展。當然需要指出的是，並非所有情況下，這種發展都可以稱之為“混亂”。比如宇宙從遠古的濃湯狀態演化到現今的星系結構。 但是需要指出的是，熵並是否意味著絕對的時間箭頭還並不清楚，因為越來越多的實驗告訴我們：熵並非恆增。其實這並非新論，玻爾茲曼當時就前段時間一個實驗實現了10^（-1）s數量級的熵減，也就是說在零點幾秒的時間內，測量到了系統的熵減。這是怎麼回事呢？第一點，統計方法得到的熵增加只是平均意義上的增加，也就是說存在熵減小的機率，只是機率非常之小，以至於我們基本觀察不到熵減的情形。第二，也是更有爭議的一點是實際上，玻爾茲曼用統計方法證明S必定增加時，採用了分子為剛性球體的假設，並用到了近似。這並不是很能讓人信服。現代系綜理論（其創始人為著名物理學家、化學家吉布斯）研究表明，必須對時間引數t或空間引數取取某些“粗化”，或者說，將我們對時間或空間觀察的精度降低，才能得到熵增加的結論。

李小花 1級 2016-12-20 回答

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