【物理前沿】理解时间的快与慢:时间膨胀、时间静止、超光速

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【物理前沿】理解时间的快与慢:时间膨胀、时间静止、超光速

2024-07-03 11:15| 来源: 网络整理| 查看: 265

这个 相对匀速运动使时间变慢的现象,就是狭义相对论中的 钟慢效应,且早已被各种实验所证实——比如, μ子(Muon)实验:

Muon是一种轻子,其半衰期为2.2微秒,地球上可以观察到来自宇宙的速度接近98%光速的Muon——这就构成了 相对匀高速运动的时钟。

接着,我们测一下高山上Muon的密度,再测一下地面上Muon的密度,按照Muon的半衰期时间计算,Muon在地面上应该已经衰减一大半了,因为从山顶到地面的时间——已经是Muon好几个半衰期的时间了。但经过实际实验发现,地面上Muon的衰减数量要少的多。 这是为什么呢?

原因就在于,从地面的 静止观测角度来看,Muon的高速运动,让其出现了 钟慢效应,也就是半衰期变长,所以才会有更多的Muon出现在了——本来不应该出现在的地面。

尺缩效应

如果认可了时间和空间,是不可分割的时空,那么显然,时间的上的 钟慢效应,也会让空间上,同时出现某种效应——这就是 尺缩效应。

尺缩效应,是指 相对匀速运动的物体,其运动方向上的长度,要短于其相对静止的时候——也就是长度收缩,并且运动速度越快,物体长度越短,但在其垂直运动方向上的长度不变。

那么,物体的长度与空间,又有什么关系呢?

这其中的奥秘就在于,我们如何知道物体的 “长度”——其实,就是必须同时获得物体两端的 空间位置,从而才能计算出物体的长度。于是, 长度其实就是我们观测到的空间性质。而这里体现出的时空特性就是—— 时间变慢,空间就会变短,前者就是钟慢,后者就是尺缩。

然而,这里需要说明的是, 并没有实验直接证实了——尺缩效应的物理存在,也就是说,并没有实验观测出,物体在运动状态下,其运动方向上的长度会收缩。(注意,这里也没有实验证明尺缩效应不存在,而是没有设计相关实验)

实际上,钟慢与尺缩效应在数学上(洛伦兹变换),是互相依存的等价关系,也就是说一个成立,另一个就必须成立,要么都成立,要么都不成立。可见,如果实验证明了钟慢效应,那么尺缩效应在逻辑上,就是不证自明的。

历史上,洛伦兹首先推导出了长度收缩公式,并提出了 长度收缩假说,即物体会在运动方向上收缩,导致其密度增大。

历史上,洛伦兹首先推导出了长度收缩公式,并提出了 长度收缩假说,即物体会在运动方向上收缩,导致其密度增大。

那么,为什么两个等价的效应,钟慢可以被实验证实,尺缩却不行呢?这就要说到,这两个效应的相对性。

钟慢和尺缩的相对性

在狭义相对论的视角下, 时间膨胀效应是相对的,也就是说钟慢和尺缩效应也是相对的。

意思就是:从运动时钟的惯性系观测——就是静止的时钟变慢了,自己的时间不变;从运动物体的惯性系观测,就是是静止的物体变短了,而自己的长度不变。

这种相对性,就是相对于不同的参考系,结果都是不一样,没有一个对任何参考系都一样的绝对性。要知道,运动必然就需要有参照物,不同的参照物,运动的速度都不同。

那么显然,这种相对性就表明了钟慢与尺缩, 是相对运动产生的观测信息的变化,而不是物理实质的变化。因为一旦相对运动消失——也就是相对静止,那么钟慢与尺缩的效果就会消失——恢复正常。而 爱因斯坦也曾亲自说过,长度缩短是由于测量者处于不同参考系引起的,不是实际的缩短。

同时,这种相对性,也就可以让钟慢实验“反过来”可以证明尺缩效应。

还是那个 μ子(Muon)实验,上次我们解读的视角是,地面静止,Muon高速向地面运动,得到的结果是Muon钟慢;这一次我们利用相对性,换一个视角,把Muon看成静止,那么就是地面在高速向Muon运动。于是,地面包括整个地球都会在运动方向上 “收缩”——结果整个运动路径上的空间(长度是空间的观测性质)都会缩短,因此Muon就会存在于更加靠近地面的地方,而不是提前衰减消失。

至于,为什么没有实验,直接去验证尺缩效应,一方面是因为 验证实验难以设计——这需要把宏观物体加速到,相对论效应显著的速度(大于光速的十分之一),另一方面是因为 证明钟慢就等价于证明尺缩了——这就像在数学上,存在一个无法直接构造证明的命题,却可以通过反证法证明,接着人们对直接构造证明这个命题,也就失去了兴趣。

广义相对论中的时间膨胀

在广义相对论中, 引力质量会让时空弯曲,时空弯曲意味着时间和空间一起被拉长,因此时间也就变慢了。

引力质量,就是物体互相之间吸引力大小的度量。

引力质量,就是物体互相之间吸引力大小的度量。

而引力质量,又等效于 惯性质量,即在非惯性系的运动(有加速度的运动)——相当于产生了等效的 引力质量,也会导致时空弯曲,让时间变慢——并且加速度越大, 惯性质量越大,时空越弯曲,时间就越慢。

惯性质量,就是物体改变运动状态的难易程度的度量。

惯性质量,就是物体改变运动状态的难易程度的度量。

再根据, 有速度有质量,就有动能(E=mv^2/2),动能即是能量,能量等价质量(质能方程,E=mc^2),所以 相对质量,同样会引起时空弯曲,让时间变慢——并且速度越快,相对质量越大,时空越弯曲,时间就越慢。

相对质量,是测量有高速运动的物体时,得到的质量,也称为 相对论质量。

相对质量,是测量有高速运动的物体时,得到的质量,也称为 相对论质量。

而这也从另一个角度,解释了在 狭义相对论中,为什么速度越快(相对质量越大,空间越弯曲),时间就越慢的原因所在。那么,相对速度一旦下降,相对质量就下降,时间膨胀效应就会减弱,即时间流逝速度就会上升——时间变快,直至恢复正常。

注意,如果没有 静质量,只有能量,比如光子没有 静质量,只有能量E=hv(h是普朗克常量,v是频率),是不能够产生 引力质量的,此时的 相对质量,也不能产生时空弯曲和引力——在广义相对论中,引力是时空弯曲的效应。 所以,光子不会被引力所吸引,也没有时间概念,或理解为时间静止。

静质量,是测量低速静止物体时,得到的质量,也称为 绝对质量。

静质量,是测量低速静止物体时,得到的质量,也称为 绝对质量。

那么与狭义相对论不同的是, 在广义相对论中的时间膨胀,不是相对的,而是绝对的。意思就是:时间变慢了,无论在哪个参考系观测,时间都是变慢了。

最后,关于理论的验证,在现实中,广义相对论所预言的引力时间膨胀效应——引力红移,已经被天文观测所证实。

引力红移,是在强引力场中,天体发射的电磁波波长变长的现象。

引力红移,是在强引力场中,天体发射的电磁波波长变长的现象。

由前文可知,有静质量物体的相对运动,即有相对质量,产生了相对速度,这会产生 狭义相对论的时间膨胀;而有引力质量,或是等效的惯性质量,即有了相对的加速运动,这会产生 广义相对论的时间膨胀。

其中,狭相的时间膨胀,是相对的,相对静止后,时间膨胀效应消失;广相的时间膨胀,是绝对的,相对静止后,时间膨胀效应不消失。

注意这里广相的相对静止,是指相对于引力场静止,即相对于有质量物体静止,或是相对于惯性引力场静止,即相对于匀加速运动静止,但本身处仍在匀加速运动——这样才能产生等效的惯性质量。

而时间膨胀效应不消失,就是指处在有质量物体产生的引力场附近,或是匀加速度运动时,时间流逝速度变慢,与参考系和相对运动无关。

那么,如果是变加速度运动,则就会产生变化的惯性质量,于是时间流逝速度也会随之变化。显然,如果处在有质量物体(引力场)附近,时间流逝速度就会稳定,但流逝速度会与有质量物体(引力场)之间的距离相关,即越靠近时间越慢,反之越快。

事实上,在现世界之中,我们要抵达一个相对速度,都必须有物体经历加速或减速的过程,这就会关系到广义相对论,产生绝对的时间膨胀效应。

接来下,我们看一个思想实验( 双生子佯谬):

双胞胎哥哥在地球上,弟弟从地球出发,加速到接近光速,然后相对地球匀速运动兜一圈后,再减速回到地球,那么此时弟弟就会比哥哥年轻,即待在地球上的哥哥要老。

这是因为,弟弟经历了加速减速的过程,此时对应了广义相对论的时间膨胀效应,即时间流逝变慢,会累积到 弟弟的生物时钟之中——也就是他的细胞和基因的衰老进程变慢,即年龄增长变慢——但弟弟肯定是无法感觉自己衰老变慢的,因为他的整个生物进程都变慢,包括了他的感觉系统和意识。

事实上,如果只用狭相来处理加速,而不用广相去处理加速,在数学上也是可以解释——弟弟更年轻,哥哥更老的。这时,我们需要把加速过程分解成 无数个瞬间,接着把 每一个瞬间都看成是一个处在不同速度下的匀速运动,接着套用狭相,对时间 积分求解,就可以得出弟弟更年轻的结果了。

但显然,这里狭相是 数学上的解读,广相的绝对时间膨胀,才是 物理上的解读。不过呢,无论是广相还是狭相,都是从不同的角度,去描述同一个宇宙本质,所以它们才能得出同一个结果。

再来看一个,现实世界的实验:

把铯原子钟(每2000万年误差1秒),放到飞机上高空飞行一段,然后回到地球,对比地面上的铯原子钟,发现飞机上的铯原子钟,时间变快了。

这是因为,飞机上的铯原子钟,远离地球,也就是远离引力场,其时间膨胀要小于地面。于是,飞机上铯原子钟的时间流逝变快,这种变快会被时钟记录下来,等到回到地面的时候,时钟记录的信息就会因为—— 变快的积累效应,明显的多于地面铯原子钟的记录信息。

需要注意的是,飞机上的铯原子钟,飞行的时候对比地面,有相对速度,就会有狭相的时间膨胀,但等到飞机回到地面的时候,这个狭相的时间膨胀就恢复了,于此同时广相的时间膨胀也消失了——因为两个钟都在地面上了, 此时两个时钟的时间流逝速度,恢复到了一样。

只不过,在飞机上的时候,广相的绝对时间膨胀,被累积进入了时钟的记录信息,而狭相的相对时间膨胀却没有,因为狭相的时间膨胀需要—— 观测相对运动才能体现出来。

最后,来看一个狭相与广相结合的实际应用:

全球定位系统(Global Positioning System,GPS),需要卫星时钟与地面时钟进行校准,这时候,卫星时钟会因为远离地面(远离引力场),而时间膨胀小于地面,即时间流逝变快,但又因为卫星在轨道上相对于地面高速运动,而时间膨胀大于地面,即时间流逝变慢。

可见,在这种情况下,狭相的相对时间膨胀,因为需要 观测卫星与地面的相对运动,所以需要被计入时间的校准计算。那么此时,狭相与广相结合起来的计算数值,才是最终卫星校准地面的数值。

事实上,如果不同时进行这两种时间膨胀的校准计算,那么GPS每进行12个小时的定位计算,结果就会出现大约7米的偏差。

微观角度的时间膨胀

从微观角度来看,如果认可了时间就是 “某种变化”的计量,那么时间流逝的速度就是—— “某种变化”的速度,那么自然,如果物质的 “某种变化”速度不同,其对应的时间流逝速度,也就必然会有所不同。

事实上,如果没有 静质量,也就没有了物质变化,此时速度就会抵达光速(比如光子和胶子),同时也没有了时间意义——可以理解为时间静止。

由此可见, 时间计量的就是静质量变化的积累信息——这也就是时钟记录的信息的本质。并且,更多的静质量,时间变化就慢,更少的静质量,时间变化就快。

那么,这也对应了,引力质量越大,即静质量越多,所以时间就慢;同理,惯性质量(由加速度产生)等效于引力质量,其越大,等效于静质量越多,时间也就越慢—— 这就是广义相对论的结论。而有静质量的物体,其速度越快,等效的相对质量越大,时间相对的就越慢—— 这就是狭义相对论的结论。

从此我们可以看出,在狭相中,相对速度增加,并没有增大静质量,只是增大相对质量,所以,这种时间的膨胀效应,只是相对的,而不是绝对的。那为什么会出现这种相对性呢?

让我们回到问题的发源地——时间代表的到底是什么?通过前面的论述可知,时间计量的是—— 静质量变化的积累信息,所以其本质上是一种信息。

那么来到信息的视角上,我们就会发现一个关于信息的基本事实。那就是, 信息的传递是不能够超过光速的,因此信息的传递过程就一定是需要时间的。

同时我们会发现,当我们测量时间的时候,其本质是在获取——相关的变化信息,比如粒子衰变信息;而获取长度,就是在获取——物体两端的空间位置信息。显然,我们获取这些信息的过程,是需要时间的,并且个时间会因为,物体的相对运动而产生变化。

于是,由此可以判断,在惯性系相对运动的物体,其物质本身——静质量,并没有变化,时间膨胀——是信息传递时间带来的效果,也就是说,被测物体的相对运动,影响了测量信息的传递过程。

这很好的解释了,为什么相对静止后,狭相中的钟慢与尺缩消失了——因为此时信息传递时间,不再受到相对运动的影响了。

所以,狭相中钟慢和尺缩的根本原因,就是 信息传递需要时间。而钟慢与尺缩,互相等价协变,即时间变慢,空间就要变短,这是因为物质的 静质量并没有真正改变—— 而时间变慢,理论上是静质量变多,此时空间变短,就是在压缩密度,以维持静质量不变。

由此可见,狭相中的钟慢与尺缩,都是信息传递出 “影像”,而广相中的钟慢,是物质静质量的绝对改变,所形成的绝对时间变慢。当然,这种绝对变慢,在观测中,也可以被相对运动中的变快,所中和抵消掉。

那么,让我们再次回到, 验证了钟慢与尺缩的μ子(Muon)实验,这次我们从微观角度来解读:

显然,Muon波的频率不同,就会影响其半衰期,而不同的参考系,观察到Muon的相对运动是不同的,相对运动不同,其体现的相对能量就不同(E=mv^2/2,v是相对速度),不同能量影响了Muon的频率(E=hv,h是普朗克常量,v是频率),最终影响了其半衰期。

最后,总结起来就是:

从狭相角度来看,时间是与相对运动相关的,于不同的参考系,有不同的运动的速度,就会有不同的时间。

从广相的角度来看,时间是与质量相关的,不同质量之间的相互影响,就会有不同的时间。

从微观角度来看,时间是与微观状态相关的,不同的微观物质,有不同的微观状态,就会有不同的时间。

从时空的角度来看,时空是不可分割的,那么时间是相对的,空间也就必然是相对的。

光速不变原理

事实上,钟慢和尺缩效应——是狭义相对论的直接推论和预言,而狭义相对论的基本出发点之一,就是 光速不变原理——也就是说,狭义相对论直接使用了这个结论。

光速不变原理,是指无论在何种惯性系中观察,光在真空中的传播速度都是同一个常数,不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。

那么,如果你抵达了光速,光会相对于你静止吗?光会像波又像粒子一样,悬停在你的面前吗?很可惜,狭义相对论认为,有质量物体,是永远无法抵达光速的。

历史上,光速是一个常数,是由麦克斯韦方程组得到波动方程,然后求解出的结果。但这个光速是相对于一个静止的参考系的,即假想中的以太。

以太,是人们曾经认为的,在宇宙空间中充满的一种看不见摸不着的物质,即空间介质。

以太,是人们曾经认为的,在宇宙空间中充满的一种看不见摸不着的物质,即空间介质。

接着, 迈克尔孙-莫雷实验证实——以太这种物质不存在,因为测量不到地球相对于以太参考系的运动速度。

但洛伦兹,相信以太还是存在的,他提出了 长度收缩假说和 洛伦兹变换,即引入了 洛伦兹因子(又称相对论因子),来说明以太可以运动,即长度可以收缩,从而抵消了光速在不同参考系观察下的速度差,以符合 迈克尔孙-莫雷实验的结果——光速不变,但又让以太存可以在。并且洛伦兹认为 洛伦兹因子,并没有物理意义,只是纯数学的处理。

再接下来,爱因斯坦根据洛伦兹变换,提出了狭义相对论。并且,他认为以太不存在,且光速不变,那么只有假定 光速相对于任何惯性系都不变,同时洛伦兹因子本来代表的——以太的收缩,就被转移到运动的物体上。

由此可见,钟慢与尺缩,最初是来源于数学公式推导的结果,而不是对现实世界的物理思考。

同时,我们也可以看出,洛伦兹变换,并不能证明光速不变,反而洛伦兹变换是假定光速不变,才被推导出来的,接着钟慢和尺缩又被洛伦兹变换推导出来。所以,能够证明洛伦兹变换、钟慢和尺缩的就是—— 光速不变原理。

然而,光速不变原理,只是一个符合观测的实验结果,比如 恒星光行差。

光行差,是指运动着的观测者,观察到光的方向与同一时间同一地点,静止的观测者观察到的方向有偏差的现象。由于地球公转、自转等原因,地球上观察天体的位置时,总是存在光行差,其大小与观测者的矢量速度与天体方向之间的夹角有关,并且在不断变化。

任意 恒星光行差都长期保持不变:光行差不随时间变化,所以光速也不随时间变化。所有恒星的光行差都为20.5角距,所以所有恒星的光速都相同。

光行差,是指运动着的观测者,观察到光的方向与同一时间同一地点,静止的观测者观察到的方向有偏差的现象。由于地球公转、自转等原因,地球上观察天体的位置时,总是存在光行差,其大小与观测者的矢量速度与天体方向之间的夹角有关,并且在不断变化。

任意 恒星光行差都长期保持不变:光行差不随时间变化,所以光速也不随时间变化。所有恒星的光行差都为20.5角距,所以所有恒星的光速都相同。

首先,在狭义相对论中——速度越快,时间越慢,速度抵达光速,时间静止。

理解起来是这样的,时间(t) = 距离(d) / 速度(v),接着利用光(光速不变)走过固定的距离,就可以计算出时间。

比如,在一个从左向右,匀速运动的一节火车上,有一个光源(电筒)在车厢左边,点亮发射光柱,射向了车厢的右边,当光柱抵达车厢右边,火车立即停止运动。此时,光柱以光速,走过了固定的距离,即车厢的长度。

接着在这个过程中,我们安排两个时钟,一个在火车上,一个在静止的地面上,同时观测计算,客观上同一个事件,所需要的时间。

那么,对于车厢上的时钟,时间(t) = 车厢长度(d)/ 光速(c);而对于地面上的时钟,时间(t) = (车厢长度 + 火车的运行距离)(d)/ 光速(c)。

再根据,光速不变原理,于是公式中(c)在地面和车厢上观察都一样,那么结果很明显,在地面上观测,地面上的时间(t)比车上的时间(t)要变大了,而这就是时间膨胀效应。

同理,发生在运动方的任何事件,对静止方来说时间都变慢了,而运动是相对的,双方都会觉得是自己静止,对方在运动——于是就是对方的时间变慢了,自己的时间正常。

那么,更进一步,如果运动方抵达了光速,那么运动方的信息,就再也传送不到静止方了,此时对静止方来说,运动方的 时间也就无法计时了,相当于静止了。

在上述例子中,就是火车速度抵达光速,光柱永远无法抵达车厢右边,此时无论在地面还是车厢上,观测计时会发现,时间慢到无限大—— 时间静止。

而物体抵达光速,对于尺缩来说,就是无法获得物体长度信息,即长度收缩到了不存在,相当于长度为0。

综上可见,在相对运动中,假定光速不随参考系变化, 那么在数学上,时间和距离,必然就需要相应的调整,即变慢和缩小——以保证光速不变(c=d/t)。

其原理就是,如果我们运动距离固定,那么相对运动,就会让双方看待对方的相对距离不同,此时就需要相对时间变慢——保证光速不变;如果我们把运动时间固定,那么相对运动,就会让双方看待对方的时间不同,此时就需要距离缩小——保证光速不变。

那么在物理上,我们计算时间和距离,所需要的信息,会因为相对运动,而被影响其传递过程,最终影响到时间的计算结果。

其中奥秘就在于,时间信息需要距离和速度信息,速度信息又需要时间和距离信息,而所有的信息都需要光速传递,这些全是变量,最终只有光速成为了一个限制我们获取信息的常量,所以,其它的信息都要围绕着光速来变化。 显然的是,一切都是信息,万物皆比特。( 数学的本质与万物的关联(第二版))

其次,在广义相对论中——物体质量越大,时空弯曲率就越大,时间也就越慢。

那么试想,如果当一个物体的质量极大——无限大,大到让时空弯曲率无限大,此时时间和空间,就会被无限拉长——也就相当于 时间无限慢,并慢到静止了。这时候,连光都无法从这个时空曲率(引力场)中逃逸出来,时间也就不存在了——也没法观测计时了。

事实上,这种情况是因为物体质量无限大,即体积无限小,密度无限大,从而令其周围的微观物质结构无限紧密的排列在一起,导致微观物质的变化率趋于无限小,即 时间计量变成无限小,就是时间静止。

超光速

在狭义相对论中, 光速是物体运动的极限速度,更精确的描述是质量、信息和能量的传递速度不能超越光速。

然而,在狭义相对论的数学公式求解中,却存在一个有质量、有信息、超越光速的解,此时对应的质量是 虚质量,而这个解对应的物质就被称为—— 快子。

虚数,在数学上就是平方等于负数的数,与实数对应,意义是虚幻不存在的数。数学上引入虚数是为了简化计算和问题,扩充数学维度;而在物理上一直都是使用实数的。 所以,虚数不具有物理意义,也无法对应现实世界的客观存在。

虚数,在数学上就是平方等于负数的数,与实数对应,意义是虚幻不存在的数。数学上引入虚数是为了简化计算和问题,扩充数学维度;而在物理上一直都是使用实数的。 所以,虚数不具有物理意义,也无法对应现实世界的客观存在。

亚光速的物质,就是通常拥有质量的普通物质,速度越快需要的能量越多,抵达光速理论上就需要无限多的能量,这是不可能的。

而超光速物质,就是拥有虚质量的物质,如快子,它们始终是处在超光速运动的状态,相反对它注入能量越多速度就越慢,但要抵达光速,理论上同样需要无限多的能量,这也是不肯能的。

可见,狭义相对论的光速,是一个屏障或说是壁垒,阻止了亚光速和超光速,各自抵达光速。

如果仅从数学公式上看,速度越快时间就会越慢,如果从亚光速抵达了光速屏障,时间就会静止。这时,如果速度继续增加,也就是从亚光速加速到 超光速, 时间就会变成一个虚数,在这个时空观里,时间的方向就会发生逆转,获得时间倒流的结果。

因为虚数,在数轴上其实可以代表着旋转的意义,虚时间就是时间旋转了180度,相对于正时间,变成了负时间,即时间逆转了方向。

然而这一切,都仅仅是数学对称性(有正就有负)的求解结果,并不一定对应着现实世界的物理学意义。 显然的是,宇宙演化具有方向,并不像数学,只有逻辑性和对称性,而没有方向性的限制性。( 数学的本质与万物的关联(第二版))

另外,如果不考虑信息的传递,有很多事物是可以超越光速的,比如影子、人浪、还有量子纠缠。

这里,用人浪来解释一下信息传递:

第一种,有信息传递的人浪。后一排,看到前一排的人坐下,才站起来,这样形成的人浪依赖观察前排坐下的信息,这个信息是光速传递的,所以这个人浪无法超光速。

第二种,无信息传递的人浪。试想,后一排站起来与前一排没有任何关系,是约定好的时间点。这时,前后排的距离是(d),前后排的站起来的时间间隔是(t),这个(d)和(t)都是人为约定的,所以可以让(d)很大,(t)很小,从而让速度(v = d / t)超越光速。

比如,前排在地球坐下,后排在月球站起来,站起来不需要坐下的信息,所以这个人浪可以超光速。

最后,关于 量子纠缠和 超光速传递信息,详细解读可以参看( 微观世界:不确定性、波粒二象性、量子纠缠与观测的本质),这里不再赘述。

人类的时间

很多人都认为,“时间”并不存在,“时间”只是被人们发明出来,方便人们工作和生活的一种度量工具,是存在于人类意识里的一种概念。

并且如果全人类都不存在了,那么“时间”也就会一起不存在了。所以,“时间”肯定只是人类的一种幻觉,而不是什么具体的物质。

但从前文的论述可知,“时间”代表着宇宙物质的变化,这种变化从人类诞生之前就存在,并且在人类消失之后也一定会继续存在,而这就是“时间”的客观性——不以人类的意识为转移。

然而,还有一种“时间”,的确是存在于人类的创造和控制之中,就是 世界统一时间(UTC)——这个人为规定的全局唯一“时间”。虽然我们每个人,都拥有各种各样的计时工具,但我们都需要去校准这个 世界时间,从而让我们拥有了一个 统一恒定的时间流逝速度——可以说这是人类同步信息交流的基石。

当然,这个 世界时间可以很好工作的一个重要原因,就是我们处在 宏观低速的同一个引力场之中, 相对论的时间膨胀效应几乎可以忽略不计。所以,在宏观上和直觉上,大家都自然而然的接受了,这个人为创造的非现实的 世界时间。

但除了以上 “客观时间”和 “人定时间”以外,还有第三种的时间存在于我们的生活之中,就是 “生物时间”,即我们 大脑中的时间。

大脑中的时间

事实上,我都能曾感受到过,童年漫长的暑假,等人、等下课、等结果、等如厕的的煎熬,有时候我们不停的看时间,时间就走的越发缓慢,但有时候处在开心快乐、或是全神贯注的状态,时间却又可以走的飞快,让人惊叹。

显然,我们的大脑对时间的感受,在不同的情景、状态和事件之下,是不一样的,并且是与 “客观时间”和 “人定时间”有所不同的。

而这其中的 快与慢就在于,当 “客观时间”所代表的 “变化”,转换成信息进入我们的大脑时,这些信息的 “变化”,就成为了我们大脑中实时体验到的 “时间感”,而信息存储在了大脑的神经网络之后,回想起的信息 “变化”,就成为了我们记忆叙事中的 “时间感”。

是的,时间在大脑里,也是在计量一种变化—— 信息的变化。并且我们所正在经历“事件”时的感受,与回忆经历“事件”时的感受,其 “时间感”的长短,是不一样的。而这两种 “时间感”就是—— 体验时间与 记忆时间。

首先,体验时间。

这就是,我们能够实时体验到的时间,这依赖于我们的大脑,无时无刻不在接受处理的 环境信息。

如果环境信息变化的少,我们自然就会觉得时间过得慢,比如我们频繁的查看手表,但时针几乎没怎么旋转,或是盯着秒针一格格的跳动,这都是在接受重复且没有 信息量的变化。

而在等人、等车的时候,我们会在大脑中不断模拟预测期望中的 “变化信息”——就是来人或来车,并且潜意识还会过滤掉大部分的其它环境信息——只关注留意期望中的 “变化信息”,于是此时,我们就很容易觉得环境中没有 信息变化,从而感受到时间流逝的缓慢——产生焦急感。

那么,如果环境信息变化的多,我们自然就会感到时间流逝的快,比如我们在一段时间内,做了很多不同类型的事情,或是去了很多不同的地方,甚至是看了一部电影——内容丰富精彩且引人入胜,我们都会觉得时间过的很快。

其次,记忆时间。

这就是,我们回忆过往的时候,所能体验到的时间流逝。这同样依赖于信息的变化,只不过这个信息变化,是存储在大脑结构之中的信息,所体现出来的变化。

然而,这里有一个重要的关键点,就在于体验到的环境信息,未必都能够进入记忆之中,甚至大部分体验到的信息都被丢弃了,只保留下一小部分印象特别深刻的信息,进入了长期记忆。

于是,我们就会发现: 等待是无聊漫长的,但回忆起来,却因为没有什么信息,而感觉时间过得很快;接受信息繁多,感觉时间走的飞快,但回忆起来却会因为信息量大,而感觉时间过得很慢。

事实上,根据心理学研究表明,我们记忆体验信息的模式,是符合 峰终定律的:即对一项事物的体验之后,所能记住的就只是在峰(Peak)与终(End)时刻的体验,而在过程中好与不好体验的比重、好与不好体验的时间长短,对记忆差不多没有影响。

也就是说,在大部分情况下,我们 记忆时间的快与慢,仅取决于我们体验时间中——峰值与终值时刻的信息记录。

最后,激素时间。

这其实还是属于体验时间,只不过这种情况,是人体内的化学激素严重影响了,我们对环境信息的捕获和处理。

比如,在遇到危险的时刻、兴奋愉悦的时刻、紧张刺激的时刻,亦或是在药物的作用下,体内各种化学激素的协同配合,就会让大脑进入一种 “超高速运转”的状态,此时大脑将会捕捉到大量平时难以察觉到的环境信息,并进行难以置信的高速处理。

显然,这种模式是进化出的一种本能,其作用是来趋利避害的适应环境——以求得更大的生存概率。但在这种情况下,大脑中高速处理的信息,其变化速率,就会让我们体验到时间的流逝,发生剧烈的减缓,甚至还能让我们体验到某种 “子弹时间”的效应,即感受到时间短暂的停滞。

有实验研究表明,人们在进行蹦极的时候,就能够看到在正常状态下无法看到的信息。即是在下落的过程中让人去看一块显示屏上的文字,结果测试发现,在蹦极过程中,越是紧张的心跳加速的人,越是能够更多的阅读到,显示屏上文字的内容,而那些蹦极专家则基本都无法看清显示屏上的文字——因为他们不紧张,所以没有 “激素时间”。

甚至,还有些人在蹦极的过程中,摄像机发现他们紧张到全程闭眼,但结果他们依然宣称看清了显示屏上的文字内容。显然,这是在本能激素的作用下,虽然大脑没有捕获到任何信息,于是就开始“自导自演”了——要知道,大脑里本来就存有很多的信息素材的。

衰老与时间

总体上,随着年龄的增长,我们一定会感到时间流逝的越来越快。天亮天黑,四季更迭,斗转星移,光影变换,睁眼、眨眼、闭眼,时间恍惚而过,甚至来到垂暮之年,回首过往,会感到人生不过白驹过隙,转瞬即逝。

生物学上认为,随着年纪的增长,衰老会让大脑的海马区不断地缩小,同时脑神经元的整体数量——也就是神经元网络结构的密度,也会大幅度的下降。

事实上,海马区掌管着我们的 叙述性记忆和 学习能力,以及还直接处理——大脑通过感官接受到的视觉、听觉、味觉和触觉等,各种环境信息。

然后,海马区会在睡觉的时候,“自主”决定哪些信息将会被存储为 长期记忆——形成神经元持久网络,哪些信息将会被遗忘。

而海马区,本身也会暂存一些近期的——通常是几天几周几个月内的“新鲜”记忆,以便快速存取。并且长期记忆被提取出来的时候,也将会进入海马区,才能够被主观意识所处理。

由此可见,海马区之于大脑,就像是内存之于计算机,因为海马区的信息,就相当于 工作记忆——如同内存中的数据。

那么,显然海马区的缩小,就会让我们能够实时 捕获到的环境信息、近期能够记忆的环境信息、以及能够转化为长期记忆的信息,都同时减少。而神经元网络结构的密度下降,则会 不断丢失已经存储的长期记忆。

于是,衰老就会让大脑记录和感受, 体验时间与 记忆时间的能力,都不断同时下降,再加上每天不断 循环重复没有信息变化的生活模式,最终体现出来的就是——随着年龄年的增长,我们会感觉到时间流逝的越来越快,从一小时、一天、一周、到一个月、一年都在飞速的流逝与缩短。

结语

综上可见,关于时间:最外层是宇宙的 客观时间、其次是人类创造的 人定时间、最后是我们每个人都能够感受到的 大脑时间。并且事实上, 人定时间并不是真实的 客观时间,而 大脑时间,更是可以每时每刻每个人都不相同。

那么, 客观时间到底重不重要呢? 大脑时间能算是真实存在的吗 ?

或许,感觉睡了很久,其实只睡了几分钟—— 这是回到了过去;而感觉只睡了几分钟,但其实睡了很久—— 这是去到了未来。

谁知道呢?关于宇宙和时间,还有很多的未解之谜在等待着人类的探索。

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