第 5?章 時(shí)間與距離

&5.2?.時(shí)間

第一段：時(shí)間很可能是我們不能定義的事物之一。

第二段：測(cè)量時(shí)間的方法——利用某種能以有規(guī)則的方式一再出現(xiàn)的事情，即某種能周期性發(fā)生的事情。例如，一個(gè)晝夜。

第三段：檢驗(yàn)時(shí)間——把它同某種別的周期性現(xiàn)象作比較。

第四段：每一天早上到下一天早上倒轉(zhuǎn)沙漏的次數(shù)并不相同；換成計(jì)算從這個(gè)中午到下一個(gè)中午的“小時(shí)”數(shù)（即倒轉(zhuǎn)沙漏的次數(shù)），這樣每一天的小時(shí)數(shù)都是相同的。

第五段：無(wú)法證明這些事件“確實(shí)”是周期性的——只是發(fā)現(xiàn)一種事物的規(guī)則性與另一種事物的規(guī)則性相吻合而已，把時(shí)間定義建立在某種明顯是周期時(shí)間的重復(fù)性上。

&5.3?.短的時(shí)間

第一段：從檢驗(yàn)晝夜的重復(fù)性這個(gè)過(guò)程中獲得了一個(gè)重要的副產(chǎn)品——找到了一種比較精確地測(cè)量一天的幾分之一的方法，即找到了一種用較小的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算時(shí)間的方法。能不能更進(jìn)一步，學(xué)會(huì)測(cè)量更小的時(shí)間間隔呢？

第二段：伽利略發(fā)現(xiàn)，如果一個(gè)擺的擺幅始終很小，那么它將總以相等的時(shí)間間隔來(lái)回?cái)[動(dòng)?！獙?duì)擺在一個(gè)“小時(shí)”內(nèi)的擺動(dòng)次數(shù)進(jìn)行比較，可劃分出一個(gè)小時(shí)的幾分之一。

第三段：“秒”：擺一個(gè)小時(shí)內(nèi)振動(dòng)3600次（如果一天有24個(gè)這樣的小時(shí)），那么我們就稱(chēng)每一擺動(dòng)的時(shí)間為1“秒”，同理可以把秒分成更小的間隔。

????振蕩器：制造一個(gè)能夠走得任意快的機(jī)械擺是不現(xiàn)實(shí)的，但是我們現(xiàn)在能夠制造一種稱(chēng)為振蕩器的電學(xué)擺，這種電學(xué)擺能提供周期很短的擺動(dòng)——電的來(lái)回振動(dòng)。

第四段：制造一系統(tǒng)電子振蕩器，每一個(gè)周期要比前一個(gè)減小10倍，每一個(gè)振蕩器可用前一個(gè)較慢的振蕩器這樣來(lái)“定標(biāo)”，即數(shù)出較慢的振蕩器振動(dòng)一次時(shí)它所振動(dòng)的次數(shù)。

????電子示波器：一種觀察一短段時(shí)間用的“顯微鏡”，這個(gè)裝置在熒光屏上畫(huà)出一幅電流（或電壓）對(duì)時(shí)間的圖像，將示波器依次與我們的系列中相繼的兩個(gè)振蕩器相連，它就先顯示出一個(gè)振蕩器中的電流圖像，然后顯示出另一個(gè)振蕩器的電流圖像——測(cè)出較快的振蕩器在較慢的振蕩器的一個(gè)周期中振動(dòng)的次數(shù)。

第五段：利用現(xiàn)代電子技術(shù)，已經(jīng)制造出周期短到大約10^(-12)s的振蕩器，并且可以按照前面描述的那種比較方法用我們的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間單位——秒來(lái)予以定標(biāo)。

第六段：比10^(-12)還短的時(shí)間已經(jīng)測(cè)量出來(lái)，但用的是另一種測(cè)量技術(shù)——

????“時(shí)間”的另一種定義：觀察發(fā)生在運(yùn)動(dòng)物體上的兩個(gè)事件之間的距離，通過(guò)時(shí)間=距離/速度。

第七段：用上述技術(shù)測(cè)量π0介子的壽命：π0介子在感光乳劑中產(chǎn)生并在其中留下微細(xì)的蹤跡，用顯微鏡觀察這些蹤跡時(shí)，我們就可看到——

????平均而言一個(gè)π0介子（認(rèn)為它以接近光速的某個(gè)速度運(yùn)動(dòng)）在蛻變之前大約走過(guò)了10^(-7)m的距離，所以它的生命總共只有大約10^(-16)s。

第八段：把我們的技術(shù)進(jìn)一步加以擴(kuò)展之后，就能推斷更快的物理事件的持續(xù)時(shí)間，我們就可以談?wù)撛雍苏駝?dòng)的周期，以及那些新發(fā)現(xiàn)的奇異共振態(tài)（粒子）的壽命——

????它們的全部壽命只不過(guò)占10^(-24)s的時(shí)間，大致相當(dāng)于光（它以我們已知的最快速度運(yùn)動(dòng)）通過(guò)氫原子核（這個(gè)已知的最小物體）所花的時(shí)間。

第九段：那么是否還存在尺度更小的“時(shí)間”？這是尚未解決的問(wèn)題。

&5.4?.長(zhǎng)的時(shí)間

第一段：測(cè)量較長(zhǎng)的時(shí)間：數(shù)一數(shù)有幾天就是，一年大約有365天。

????自然界的時(shí)間標(biāo)記：樹(shù)木的年輪或河流底部的沉積物——來(lái)確定從發(fā)生某種事件以來(lái)所經(jīng)歷的時(shí)間。

第二段：測(cè)量更長(zhǎng)的時(shí)間：把放射性材料作為一只“鐘”來(lái)使用。

????“半衰期”：某種材料的樣品，當(dāng)它的年齡每增加一相同的數(shù)值時(shí)，它的放射性就減少一相同的分?jǐn)?shù)，它放射性減少到一半的時(shí)間稱(chēng)為“半衰期”。

第三段：例子：一塊木料，在它形成時(shí)其中含有數(shù)量為A的放射性物質(zhì)，而我們用直接測(cè)量法發(fā)現(xiàn)它此刻的量為B，那么只要解方程(1/2)^(t/T)=B/A，就能計(jì)算這一物體的年齡t——其中T為該材料的半衰期。

第四段：碳14的半衰期是5000年，通過(guò)仔細(xì)的測(cè)量我們測(cè)出經(jīng)20個(gè)左右的半衰期后所余留下來(lái)的數(shù)量，因此，就能夠確定生成于100 000年以前那樣古老的有機(jī)體的年代。

第五段：測(cè)更長(zhǎng)的時(shí)間——用一種半衰期更長(zhǎng)的同位素來(lái)進(jìn)行測(cè)量。

????例如，鈾有一種同位素，它的半衰期大約為10^9年，所以如果有一種物質(zhì)在10^9年前形成時(shí)就含有這種鈾，那么今天這種鈾就只剩下一半。當(dāng)鈾蛻變時(shí)，它變成了鉛。

????著眼于海洋中的鈾和鉛，并且對(duì)整個(gè)地球取平均值，用這個(gè)推廣了的方法測(cè)得地球本身的大概的年齡大約為45億年。

第六段：人們發(fā)現(xiàn)，地球的年齡與掉到地球上的隕石（也是用鈾方法測(cè)定的）的年齡是相同的，這是一件令人鼓舞的事情——地球是由漂流在太空中的巖石形成的，而隕石很可能就是遺留下來(lái)的那些物質(zhì)的殘片。我們這部分宇宙起源于大約100或120億年之前。

????更早的時(shí)間是否有任何意義？

&5.5?.時(shí)間的單位和標(biāo)準(zhǔn)

第一段：很長(zhǎng)一段時(shí)間的基本標(biāo)準(zhǔn)：地球的自轉(zhuǎn)周期——發(fā)現(xiàn)地球的轉(zhuǎn)動(dòng)也不是嚴(yán)格周期性的，近些年來(lái)變長(zhǎng)了。

第二段：沒(méi)有找到任何一個(gè)比地球的周期好得多的標(biāo)準(zhǔn)。

????“原子鐘”：基本的內(nèi)在周期，就是原子振動(dòng)的周期，這種振動(dòng)對(duì)于溫度或任何其他外界影響都不十分敏感；精確度達(dá)到10^(-9)，或者比之更高。

第三段：科學(xué)家們不久就會(huì)一致同意采用原子標(biāo)準(zhǔn)鐘中的一種來(lái)定義時(shí)間單位——

????1967年第十三屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)已通過(guò)決議將時(shí)間單位“秒”的定義改為：“一秒等于銫133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷的輻射周期的9 192 631 770倍?！?/p>