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时间有什么独特的性质?

来源:达达兔影院 阅读数:加载中 类型:今日头条 更新:2021-01-22

上下四方曰宇,古往今来曰宙。请随我们进入“时间”的故事。

时间与空间的不同点在于时间的“流逝性”。因此,时间有一些独特的性质,但究竟独特在什么地方?很多人并不能全面的回答。 时间独特的地方在于看不见摸不着,但又是客观存在的。如果仔细观察,我们就能看到时间的痕迹,感受到时间的作用。 有一个关于时间的谜语:有个东西,它在你身边,但你却看不见、闻不着、抓不住、也尝不了。这个谜语充分说明了时间最独特的性质,它主要体现在三个方面。

首先,时间不能通过生理感觉感知。我们可以看到长度,也可以感觉到质量和温度。但对于时间,看不见、听不到、闻不着、也尝不了,只能通过观察时间引起的变化来感受时间的存在。

图1. 温度可以被感受(图源:作者)

其次,时间只有一个方向。对于长度,我们可以从西安到北京,也可以从北京到西安。如果我们要称重一堆物体的重量,可以从这一堆里的任何一个开始,也可以反反复复的称重。但对时间,我们只能处于现在:过去的现在、现在的现在和将来的现在。

图2. 在小路任意点都可以往各个方向走

第三,时间是不断变化的。我们可以给朋友写信,问他家的桌子有多宽、两家距离有多远,他会回信告诉你,这些信息在你收到回信后仍然有用。但如果你问他家的表是几点了,他写回信可能会非常头疼,因为在他写下时间的那一刻,时间就改变了。

图3. 写不出正确的时间(图源:作者)

时间虽然看不到,但它始终围绕着我们、无处不在,只要留心,我们就可以感受时间。一个呀呀学语的孩子,如何成长为妙龄少女,又变成耄耋老人?一个种子,如何变成一颗嫩芽,从开花到结果。这些都让我们感受到时间的流逝。

图4. 上:“时间”让一个呀呀学语的孩子变成耄耋老人;下:“时间”可以让一粒种子开花结果(图源:作者)

感受时间,难免会加上主观感觉,不同的人对时间的感觉是不一样的。相谈甚欢的恋人觉得时间稍纵即逝,但监狱中的犯人却是度日如年。

这就是时间的特性,是独一无二的。

图5. 对时间的感受,有稍纵即逝,也有度日如年(图源:作者)

在现代,时间通常和频率联系在一起,统称时间频率。时间频率目前是实现测量精度最高的物理量。时间频率信号可以通过电磁波传播,直接应用于科学研究和工程技术。基于此,高精度时间频率已经成为一个国家科技、经济、军事和社会生活中至关重要的参量,关系着国家和社会的安全稳定。

时间的单位秒作为七个国际基本单位制之一,也是目前能实现的测量精度最高的一个量。现代量子频标的出现和电子技术的进步,极大地提高了时间频率计量测试的稳定度和准确度,更使之遥遥领先于其他量值的计量水平。

由于极高的测量精度和直接传递的特性,从而使时间频率计量成为其它量值计量向着量子基准转化的先导。在1983年第17届CGPM会议的决议中重新定义了“米”。以前米的定义是根据国际米元器得到的,米长元器随温度、气压的环境变化而变化,精度并不高。现在定义为光在真空中1/299 792 458秒(约3.3356纳秒)所传播的距离,这极大提高了米定义的实现精度。

长度和时间的这种密切的关系已经被用于导航系统,全球定位系统(GPS)尤其令世人注目。其最基本的原理就是把长度的测量转化为电磁波传播时间的测量,将定位精度从基于角度测量的天文导航的几十公里提高到十米以内。 完成这种转换而重新定义的量值还有如电压单位:伏特(1990年),电阻单位:欧姆(1990年)。德国已经开发出基于时间间隔测量的电容和电阻传感器,极大的提高了电容和电阻的测量精度和便捷性。

在2019年的国际计量大会上,对七个基本物理量的单位重新进行了定义,所有的物理量都直接或者间接由时间的单位导出。由此可见,时间频率成为了当今物理量准确计量的基础。

作者简介:

李孝辉,中国科学院国家授时中心研究员,博士生导师,国家卫星导航重大专项专家组成员,主要研究时间频率测量、时间同步、卫星导航。

樊多盛,硕士,中国科学院国家授时中心助理研究员。主要从事精密时间测量、原子钟控制方法、高精度远程时间复现技术、时间频率设备测试方面的工作。

[责任编辑: 赵宇豪 ]

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