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時間都去哪了——如果時空可以測量……


- 2018年2月28日03時53分
- 科學文摘 / 科學出版社

科學出版社

絕美宇宙,有著令人嘆為觀止的謎團。宇宙的奇蹟是一場意外,還是有人精心設計的結果?幾個世紀以來宗教和科學一直針鋒相對。如今科學界正積極探索造物主。理論物理學家認為,造物主隱遁與數學之中;神經科學家覺得造物主或許就存在於我們的大腦里;計算機編碼員則認為造物主是他們的同行,世界是造物主運行的模擬程序……

——《與摩根·弗里曼一起穿越蟲洞》開篇語

宇宙


天地萬物稱為「宇宙」。尸子(尸佼,戰國,BC390~BC330) 說:「四方上下曰宇,往古來今曰宙。」宇宙是時間、空間、質量和能量構成的有機統一體。

宇宙的奧秘是人類科學探索的永恆主題。古希臘畢達哥拉斯(Pythagoras, 約BC580~BC500)認為宇宙由「點」和「面」構成,而波蘭天文學家哥白尼(Nikolaj Kopernik, 1473~1543) 則認為宇宙是一個球形。老子(李耳,約BC571~BC471)

認為宇宙起源於「無」,現代主流科學家則認為宇宙起源於一個點的大爆炸。無論宇宙從何而來,也不管其結局如何,生活在宇宙中的人們都會一代一代地探索下去,沒有終極答案。

人類對宇宙的感知

人類對宇宙的認識源於人體感官對外在事物的感知。人體在發育到一定程度之後,就會通過自己的「視覺」、「聽覺」、「味覺」和「觸覺」細胞對「外在的」事物產生「感知」,並在頭腦中形成「意識」。這種獨立於「意識」之外的所有東西,被稱為「客觀」世界。

時間都去哪了——如果時空可以測量……圖片


對於外部世界發生的任何一件事,如一個爆炸或一個聲響,我們都能感覺其發生的「方位」、離我們的「遠近」以及發生的「時刻」。這就是我們最為基本的「時間」和「空間」概念。利用我們的時間空間感,我們又能夠對外界事物形成一系列其他不同的概念,並根據其特性進行分類。能被我們「直接」感知的東西大致可分為兩類:一種被稱為「物質」,另一種被稱為「能量」。現代物理學認為物質有六種存在形態:固態、液態、氣態、等離子態、玻色-愛因斯坦凝聚態和費米子凝聚態。它們是物質在不同溫度下的表現形態。隨著溫度的變化,物質可以從一種形態變化為另一種形態。能量在通常情況下雖然不具備普通物質所具有的形態、體積、重量(質量)

和結構等特性,但卻有大小和強弱之分。「光」是一種典型的能量,它由物質產生,然而卻是無形的。光不像物質一樣能通過逐級分解來加深認識。因此,從某種意義上說,光在本質上是一種比物質更難理解的東西。長期的科學研究表明,「光」是處於一定波長範圍(380~780nm) 的電磁波。

人類對世界的認知基本上都是通過眼睛觀察物質所發射或反射的「光」得到的。所有物質都具有發射和吸收電磁波的屬性。儘管絕大部分電磁波不能被肉眼直接觀測,但基本上都可以通過「感光」設備(如射電望遠鏡、紅外望遠鏡等) 進行感知。可以說,人們對世界(特別是遙遠的天體) 的認知基本上都是通過電磁信號觀測完成的。

人們所感知的世界形形色色,千姿百態,但都具有「時間」和「空間」兩種不同的屬性。「時間」反映了「事物」(如物質的某一運動狀態)

存在的「持續性」,空間則反映了「事物」的「廣延性」。例如,對於任何物體,我們都有長度和體積概念,以反映其空間特性,同時,它的運動或持續時間又會反映其時間特性。「時間」和「空間」是事物存在的基本形式。一方面,我們所感知的事物都具有一定的時間和空間屬性;另一方面,離開物質去討論時間和空間也不可能有任何意義。也就是說,時間、空間和物質永遠不能絕對分離。我們之所以能夠將物質、能量和時間、空間從宇宙中進行分離,其根本原因在於物質、能量在時間和空間分布上的不均勻性。通過對事物的「感知」,我們的大腦會產生「意識」,並形成我們的基本世界觀。人類長期的觀測實踐表明,世界上沒有絕對相同的事物,但很多事物在某些特性上具有一定的類似性。因此,為了便於認識、交流和鑑別,人們通常把差異在一定範圍內的事物定義為「相同」。這樣我們就可以對世界上的各種事物加以分類,並研究其「規律性」。辯證唯物主義認為世界上任何事物的變化都是有規律的,並且這些規律是可以被認知的。人類對客觀事物構成、分類及其變化規律的認知,稱為「科學」,是我們認識和研究物質時空運動規律的基礎。

現代科學技術種類繁豐,但應用最為廣泛的科學理論和技術方法基本上都是以歐幾里得幾何和牛頓力學為基礎的。歐幾里得(Euclid, 古希臘,BC330~BC275)的《幾何原本》不僅建立了一套完整的科學理論體系,更重要的是建立了一套科學的論證方法。牛頓(Isaac Newton, 英國,1643~1727) 的《自然哲學之數學原理》是以歐幾里得幾何為基礎的。愛因斯坦(Albert

Einstein, 猶太裔,1879~1955) 說:「如果歐幾里得未能激發起你少年時代的科學熱情,那麼你肯定不會是一個天才的科學家。」愛因斯坦站在巨人的肩膀上,為現代物理學奠定了基礎。因此,歐幾里得、牛頓和愛因斯坦(圖1) 是人類歷史上最偉大的科學家。

圖1歐幾里得(a)、牛頓(b)和愛因斯坦(c)

科學和技術的問題在本質上是時間、空間、物質及其相互關係的問題。由於天文衛星、空間望遠鏡和甚長基線干涉測量(VLBI)、衛星雷射測距(SLR)、月球雷射測距(LLR)、全球衛星導航系統(GNSS)

等測量技術以及原子鐘和頻標技術的快速發展,人類的精密時空測量範圍不斷擴大,測量精度不斷提高。時空觀測範圍達幾十億光年,空間測量不確定度達10-12 量級,時間計量不確定度達到10-15

以上。高精度的測量必須有高精度的理論模型與之相適應。廣義相對論和量子力學已經成為大尺度空間測量和精密時間計量的理論基礎。在人類發現的四類基本力(萬有引力、電磁力、弱核力與強核力)

中,萬有引力是最弱的,也是最長程的作用力。可以說宏觀宇宙的結構和運動變化是由萬有引力決定的。研究大尺度時間、空間和萬有引力的基本理論是廣義相對論。迄今為止,它是描述宏觀物質運動最為嚴謹的理論體系,是空間科學、衛星導航等大尺度時空精密測量工程和技術的理論基礎。

任何理論都是人類理性思維的結果。科學的源泉在於對宇宙的精心觀察,對時間、空間、物質及其相互關係的精密測量。因此,精密時空測量是科學宇宙觀形成和科學技術發展的基礎。

為了研究事物的規律性,人們往往有意識地開展對事物的「觀測」或「實驗」活動。顯然,由於「觀者」和「觀測儀器」的差異,對於同一事物,其「觀測」或「實驗」結果往往是會有差異的,這種「差異」通常被稱為「觀測誤差」。所謂「觀測誤差」是指「觀測值」相對其「真值」或「期望值」的偏差。另一方面,對事物進行「觀測」的過程往往也會對事物的狀態產生一定影響,並導致事物自身在一定程度上產生變化。因此,人們對客觀事物的認識是一個非常複雜的、漸進的「過程」。

人類分析總結的所有「自然規律」都源於觀測。自然規律不僅要與一定的觀測結果相符合,而且必須是普適的。但「自然」終歸是自然,在整個宇宙空間中沒有絕對相同的事物。所謂「相同」是人為定義的,或者說是有條件的、相對的(其差異是我們不關心的或者是可以忽略的)。從本質上說,所有的概念和定義都是一種人為約定。不僅如此,由於我們的觀測是局域的、有限的,永遠無法涵蓋所有的樣本,而且分析總結「規律」所依賴的觀測都存在一定的誤差,因此,由科學研究所給出的「規律」或「真理」只能是相對的。這就是說,人類根據觀測所給出的「規律」只是對客觀世界(或大自然)

的一種近似刻畫。今天被認為是真理的東西,在將來或許就會被否定或者是部分否定。但是,科學的發展是永無止境的,「相對真理」總是在一步步向「絕對真理」逼近。

任何「正確性」都是有先決條件的。不論是理論模型的正確性,還是觀測結果的正確性,都只能根據一定的精確程度來進行判定。在給定的時空範圍內,如果誤差是可以容忍的,那麼就可以說它是正確的,否則,則認為是不正確的,或者是錯誤的。

例如,就地球的形狀而言,說它是球形是對的,說它是橢球也是對的。無論「球」還是「橢球」都是地球形狀的一種近似。說水平面是平面是對的,但說海平面是平面在大尺度上就不正確。看你討論的是什麼問題,看其產生的誤差是否是可以容忍的。在某一精確程度上來說是對的,而在更高的精確程度上可能就被認為是錯的。在小尺度空間中是對的東西,在大尺度空間中可能就不正確。

理論和測量結果的精確性通常用相對誤差來表示。所謂相對誤差是指一個物理量的誤差與其真值的比值。例如,長度測量的不確定度為1×10-6(1ppm):對於1m 的長度,測量誤差大約是1μm(67%的機率,或1 個標準差);同樣,對於1km的長度,測量誤差約為1mm;對於1000km,測量誤差約為1m。


為了對客觀物理量進行定量描述,人們首先需要對一些基本物理量的單位進行定義。中國古人稱之為「度」、「量」、「衡」。古人云「為之度,以一天下之長短;為之量,以齊天下之多寡;為之權衡,以信天下之輕重」(吳承洛,1937)。秦始皇統一度量衡的目的就是通過規範度量器具,實現天下長度、容量和重量等計量單位的統一。但由於歷史原因,不同地區、不同國家、不同時期所使用的計量單位往往是不一致的。

進入18 世紀以後,英、法、德等國相繼爆發了工業革命,科學技術得到迅猛發展,因此對國際計量單位統一的需求日益迫切。1791 年,法國國民代表大會通過了以長度單位「米」為基本單位的決議。1875 年5 月20 日,17

個國家代表在法國巴黎共同發起並簽訂了「米制公約",為米制的傳播和發展奠定了基礎。米制公約組織的基本宗旨是建立保存國際計量原器並進行各國基準的比對和技術協調,以保證在國際範圍內計量單位和物理量測量的統一。米制公約組織的最高組織形式是國際計量大會(CGPM),國際計量大會每四年召開一次,第一屆大會召開於1889年。國際計量大會的組織領導機構是國際計量委員會(CIPM),由締約國的18

名成員組成,每兩年召開一次工作會議。中國於1977 年加入國際米制公約組織,從1979 年開始王大珩院士、高潔院士和段宇寧研究員相繼當選為國際計量委員會委員。國際計量委員會的執行機構是國際計量局(BIPM),設在法國巴黎,是國際計量科學研究的中心。由國際計量局給出的計量單位稱為國際單位制(SI)。國際計量委員會下設10

個諮詢委員會,負責國際單位制的研究和協調工作。在國際單位制計量單位中,基本單位有7 個,分別為質量單位千克(kg)、時間單位秒(s)、長度單位米(m)、溫度單位開爾文(K)、電流強度單位安培(A)、發光強度單位坎德拉(cd) 和物質的量單位摩爾(mol)。目前,基本國際單位制的不確定度如表1所示。

表1基本物理量及其不確定度

《時空測量原理》

作者:韓春好

責編:周涵,趙彥超

北京:科學出版社,2017.10

ISBN:978-7-03-054429-2

《時空測量原理》在9個基本公設的基礎上系統闡述了時空測量與時空參考系理論,分析討論了歐幾里得-牛頓空間、閔可夫斯基空間和黎曼-愛因斯坦空間的時空度量問題。內容涵蓋微分幾何、矢量張量分析、狹義相對論、廣義相對論和天文參考系等基本內容。

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