第 13 章 原子钟

13.1 关于时间

时间是一种尺度，在物理定义是标量，借着时间，事件发生之先后可以按过去-现在-未来之序列得以

确定（时间点/时刻），也可以衡量事件持续的期间以及事件之间和间隔长短（时间段）。在闵考斯基时空

（相对论时空）中，时间是除了空间三个维度以外的第四维度。

目前最广泛被接受关于时间的物理理论是阿尔伯特·爱因斯坦的相对论。在相对论中，时间与空间一

起组成四维时空，构成宇宙的基本结构。时间与空间都不是绝对的，观察者在不同的相对速度或不同时空

结构的测量点，所测量到时间的流易是不同的。狭义相对论预测一个具有相对运动的时钟之时间流易比

另一个静止的时钟之时间流易慢。在 1971 年，物理学家哈菲尔（Joe Hafele）与基廷（Richard Keating）

做了证明。他们将高度精确的原子钟放在飞机上绕着世界飞行，然后将读到的时间与留在地面上完全一

样的时钟做比较。结果证实：在飞机上的时间流易得比实验室里的慢。据爱因斯坦的理论，当移动的速度

越快，时间流易速度越慢，当移动速度达到光速的一半时，时间约慢 13%。

另外，广义相对论预测质量产生的重力场将造成扭曲的时空结构，并且在大质量（例如黑洞）附近的

时钟之时间流易比在距离大质量较远的地方的时钟之时间流易要慢。现有的仪器已经证实了这些相对论

关于时间所做精确的预测，并且其成果已经应用于全球定位系统。

就今天的物理理论来说时间是连续的，不间断的，也没有量子特性。但有一些理论试图将相对论与

量子力学结合起来，如量子引力，弦理论，M 理论，预言时间是间断的，有量子特性的；但它们还没有

被实验证明过的。另有一些理论猜测普朗克时间可能才是时间的最小单位。根据史提芬·霍金所解出广

义相对论中的爱因斯坦方程式，显示宇宙的时间是有一个起始点，由大霹雳（或称大爆炸）开始的，在此

之前的时间是毫无意义的。而物质与时空必须一起并存，没有物质存在，时间也无意义。

人出生、成长、衰老、死亡，没有反过来的。玻璃瓶掉到地上摔破，没有破瓶子从地上跳起来合整

的。古典力学无法解释时间的不可逆性。两个粒子弹性碰撞的过程顺过来反过去没有实质上的区别。时

间的不可逆性只有在统计力学和热力学的观点下才可被理论地解释。热力学第二定律说在一个封闭的系

统中（我们可以将宇宙看成是最大的可能的封闭系统）熵只能增大，不能减小。宇宙中的熵增大后不能

减小，因此时间是不可逆的。

时间最早的定义是时钟量测的物理量。目前统一的定标方式为 1967 年起采用的“铯-133 原子在基

态下的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的 9192631770 个周期的时间。”

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