时间的观念

特勒西奥虽然主张亚里士多德的宇宙论，但还是主张时间逻辑上先于运动和变化，没有时间运动便不可能，而时间则可以没有运动而自己存在。在他的重要哲学著作《论自然》中，特勒西奥写道：

亚里士多德教导说，我们的时间知识来自我们对事物的运动和变化的知识，如果没有对运动的感知，我们就绝对不可能有对时间的知觉，在这一点上，他是相当正确的。但是他从这一前提错误地推论说，没有运动就没有时间。可是，为什么时间就应依赖事物的运动，为什么在没有运动和变化时它就要同样停止存在和流逝？没有运动和变化出现，它本身也存在。因为我们总是同时感知时间和运动，从未有无运动的时间和无时间的运动，他就说时间是运动的一种状态或效应，这同样是不对的。……

如果说时间与运动有什么关联或联系或相关性的话，那么就应该是这样的：时间间隔、绵延和区间，所有的运动和变化既不是跨越它也不是通过它，而是在它之中发生。运动是时间的测度：不是所有的运动，唯有天球的运动，它是真正的一、连续、始终如一。〔1〕

布鲁诺在打碎天球的天文学革命中是一个得力干将。他打碎了天球，同时也引入了多世界理论。在这方面，他显得是一个时间的关系论者。但同其他思想家一样，他亦认为存在着不依赖于运动和变化而独立存在的时间。他说：“不是时间测度运动，而是运动测度时间：我们确实是通过运动认识到绵延而不是相反。尽管它们互相测度，但是，除非先前有某些运动测量了时间，否则时间不可能测量运动。”1）伽桑迪也表达了大致相同的思想，在与笛卡尔争论的时候，他指出，不管事物是否运动，时间总是以相同的速率流逝。

第六章/近代科学与物理时间的测度化

109

{1] Telesio, De rerum natura, I, 29; 引|自 Capek, ed., The Concepts of Space and Time, pp. 187 - 188.

近代物理学的时间概念第一次在巴罗那里明晰下来，巴罗的意义在于他影响了牛顿。在《几何演讲集》中，巴罗十分仔细地总结和概括了近代自然哲学家们关于时间的看法，给出了一个完全数学化的物理测度时间。巴罗首先表明，“时间”抽象说来是任何事物存在的持续性。有些事物持续得长一些，有些则短一些，因此，时间是一种量，它有相等或不等，有比例等等性质。巴罗说，你也许要问，在世界被创造之前，时间是否不存在？在宇宙之外(extramundane)的空间中是否没有时间流逝？我的回答是，世界被创造之前，就有了空间，世界之外也有无限的空间，上帝就在世界之前和之外的空间中现身；有空间就有时间，因此，世界被创造之前时间就存在，在世界之外的空间中也一起存在时间。

时间并不意味着真实的存在，而只是存在之持续的能力或可能性，正如空间表现了所含之物的度量能力一样。你也许会问，你为什么不用运动来解释时间，是不是时间并不意味着运动，我回答是，就时间绝对的和内在的本性而言，时间的确不更多的意味着运动。时间的量，本身既不依赖事物的运动也不依赖静止，因为不管事物运动还是静止，不管我们睡着还是醒着，时间都一如既往地流逝一个等量的行程。如果你假定所有的恒星从一开始都保持静止，时间的任何一部分都不会丢失。作为数量本身，它是独立于一切运动的绝对的量，尽管我们说不出这种纯粹的量是什么，除非测量它。〔1〕

110

时间的观念

(1〕 Bruno, Camoeracensis Acrotismus, Art.38 – 40. 引 自 Capek, op. cit., p.190.

巴罗的看法，表达了钟表时代人们的一般时间心理：时间无处不在、无时不有，不管你是劳作还是休息，是睡去还是醒着。但它又不可捉摸，它是抽象的。作为数学家的巴罗把这种绝对时间叫做数学时间。

巴罗将这种绝对的数学时间比喻成一条直线或一个圆，表明时间固有的几何特征(比成一个圆只是说明循环观对巴罗还有影响)。它是一维的，具有与直线一样的可分性，由各个部分组成，有长度。“我认为，时间作为一条有长度的直线可以被看成一个点向前运动的轨迹，可以被一个点也可以被一个运动划分，所以，时间也可以被看成一个持续流逝的运动轨迹，可以被一个时刻或一段时间流所划分。”〔2〕

牛顿绝对时间观所包含的思想要素在巴罗这里已经全部齐备，只等着牛顿正式宣布了。在《自然哲学的数学原理》正文开头的定义之后，牛顿单列了一个“注释”部分：

到现在为止，我对那些比较不太熟悉的词下了定义，并说明了我在下面论述中将怎样来理解它们的意义。但对时间、空间、位置和运动我并没有下过定义，因为它们已为人们所共知。只不过我必须看到，一般人不是在别的观念下，而是从这些量和可感知的事物的联系中来理解它们的。这样就产生了某些偏见；而为了消除这种偏见，最好是把它们区分为绝对的和相对的，真实的和表象的，数学的和普通的。

1. 绝对的、真实的和数学的时间，按其固有的特性而均匀地流

第六章/近代科学与物理时间的测度化

111

[1 ] I.Barrow, Lectiones geometricae, 引 自 Capek, ed., The Concepts of Space and Time, p. 204.

( 2} I. Barrow, Lectiones geometricae, 引自 Capek, op.cit., p.208.

时间的观念

逝，与一切外在事物无关，又名绵延；相对的、表观的和通常的时间，是可感知和外在的对运动之延续之度量，它常常用来代替真实的时间，如一小时，一天，一个月，一年。〔1〕

牛顿认为，像时间、空间、运动这些概念是人所共知的，但正因为人所共知，却往往容易杂陈偏见和不正确的观念。牛顿特别提出，人们往往容易从具体、相对的时间观中忽视一个绝对时间观的存在。牛顿也承认，“可能并不存在一种运动可以用来准确地测量时间”。但他相信，“所有的运动可能都是加速的或减速的，但绝对时间的流逝却不会有所改变。不管其运动是快是慢，或者根本不运动，一切存在物的延续性或持久性总是一样的。因此，应该把这种延续性与其只能被感知的度量区别开来，并用天文学方程把它从可感知的度量中推导出来。为了测定一个表观的时间，这个方程的必要性已在摆钟实验和木星的卫星的蚀象方面得到证明。”〔2〕牛顿说得十分明白，绝对时间只是运动方程内在蕴涵的一个因素，而只有通过运动方程，表观的、通常的时间才能得到测定。也就是，表观时间的测定以假定存在一个真实时间为前提。

与绝对空间观不同，绝对时间观从未从实验角度给出证明，相反，牛顿设计了著名的水桶实验以证明与相对空间不同的绝对空间的存在。牛顿大概相信，数学化的、几何化的时间与空间有着完全相同的本性，只要能够证明绝对空间的存在，绝对时间也就不在话下了。

牛顿的绝对时间非常符合我们的常识——技术时代的常识。它的真正的根源不在物理学内部—自马赫以来的物理学家已经充分表明，牛顿的绝对时间观实际上缺乏物理学上的根据——而在这个技术时代的本质中。尽管爱因斯坦的相对论从物理学内部摧毁了绝对时间观，但它依然表达了我们时代公众的一般时间心理。

112

[1〕译文引自塞耶编：《牛顿自然哲学著作选》，全增嘏等译，上海人民出版社1974年版，第19页，译文有所变动。

〔2〕塞耶编：《牛顿自然哲学著作选》，第22页，译文有所变动。

即使在相对论物理学的范围之内，一个类似于牛顿绝对时间的统一的、普适的时间框架也总是不时地浮现出来。比如在相对论宇宙学中，当我们谈到宇宙年龄、宇宙的演化时，我们就总是假定了一个在全宇宙普适的、统一的宇宙时间。没有这个普适的时间，我们就不可能有意义地谈论宇宙的年龄和宇宙的演化。(1)

物理学是一门追求普遍、必然性知识的学科，这样一种普遍必然知识之所以是可能的，就在于物理世界的规律不随时间的流逝而改变，时间对规律表现出均匀性。这种时间的均匀性也必须是普适的。如果时间的均匀性遭到破坏，对物理规律的寻求就缺乏先天的根据。可是爱因斯坦的广义相对论却说时间因与物质分布和运动状态相联系而变得不均匀，这是如何可能的呢？事实上，我们在这里涉及了两种不同的时间概念：时间一旦成为物理科学的对象，就必定要与作为物理科学之先天形式的时间概念相冲突。这是一个十分重要但并未引起科学哲学界关注的哲学问题。

三、经典物理学拒绝时间之矢

爱因斯坦在悼念青年时代的好朋友贝索时写了这样一句话：“对于我们有信仰的物理学家来说，过去、现在和未来之间的分别只不过有一种幻觉的意义而已，尽管这幻觉很顽强。”〔2〕这段话充分概括了经典物理学

第六章/近代科学与物理时间的测度化

113

〔1〕类似的，对于广义相对论是否抛弃了绝对空间观念，也存在争论，可参见A.Grun-baum, Philosophical Problems of Space and Time , 1974, D. Reidel Publishing Company, pp.418 – 424. 中译文见“广义相对论抛弃了绝对空间吗？”，吴国盛译，载《国外自然科学哲学问题》，中国社会科学出版社1991年版。

〔2〕《爱因斯坦文集》第三卷，许良英等编译，商务印书馆1979年版，第507页。

时间的观念

对待时间之矢的态度：时间的方向性，过去与未来的不对称性，只是一种幻觉。

经典物理学的时间概念是测度时间，而且是绝对坐标系下的标度时间。牛顿力学对待时间的基本态度是，将时间作为一个基本参量加以应用，而不是对它进行解释。时间在牛顿力学中，是一个先定的而且不再更动的框架。

绝对时间虽然均匀地流逝着，但它并不能强迫其中的物质运动以某种方向进行，因为物质及其运动不能对绝对时间(还有绝对空间)发生作用，同时，绝对时间对物质及其运动也不能发生作用。时间只是某种指示性的坐标。

牛顿开创了动力学，此后，动力学一直是物理学对待物理世界的典型模式。动力学模式是：已知一个物体现在的运动状态和位置，求得该物体空间位置和运动状态的变化。时间在动力学中，只起一个坐标的作用。

作为坐标的时间本来是有方向的，然而，牛顿的动力学方程将这一方向的因素消掉了。在牛顿第二定律中，时间以平方的形式出现，因此方向性被平方抹掉了。用-t代入方程得到的是与+t一样的结果。这意味着，在牛顿的物理世界中，物理过程的时间方向性是无关紧要的。一个物体在某个力的作用下的运动是指向过去还是指向未来，在牛顿力学这里是不可分辨的。

在牛顿方程中，过去与未来是完全对称的。人类生活经验中那些时间性的东西，比如，我们走向未来而回不到过去，我们只记得过去而不记得未来，人不可能返老还童，人死不能复活，泼出去的水收不回来，等等，在以牛顿力学为基础的近代科学看来，只是一种人类固有的与其物种相关联的幻觉，对于实在世界而言，并不存在这类被称做时间的东西。

经典物理学拒绝时间之矢的一个根本原因还在于，它是一个完全决定论的体系。在掌握了力学方程和宇宙初始条件的人看来，世界的过去、现在和未来一目了然。这里面没有偶然性，没有新奇之处。牛顿的世界体系被他最杰出的后继者拉普拉斯精心地构造出来，在这个体系之中诞生了拉普拉斯妖，一个精灵：

114

我们应该把宇宙的目前状态视为其先前状态的结果和继后状态的原因。在某个给定时刻，一位精灵把握了驱动自然界的所有的力和构成自然界的所有物体的状态，如果他的智慧大到足以对这一切资料进行分析，他就能够将宇宙中最为庞大的物体的运动和最为轻微的原子的运动囊括进同一组公式中。对于这样一个精灵，没有什么东西是不确定的，未来象过去一样，都将呈现在他的眼前。人类的心灵，就它迄今在天文学上表现的完美性而言，只是稍微展示了这个精灵的能力。〔1]

如果世界本质上是拉普拉斯妖眼中的世界，那么时间就确实只是人类这个特殊物种的特殊感觉，是它有限性的某种证据。

四、相对论的时间观：测度时间的精致化

20世纪初年，物理学经历了一场意义深远的革命，在这场革命中诞生了相对论和量子力学。众所周知的是，相对论在时空观方面带来了一场革命性的变化。许多作者已经为这场革命的诠释贡献了汗牛充栋的文献。

在某种有限的意义上，相对论的确构成了对于经典物理学的革命，但是，不可夸大这场革命的彻底性。爱因斯坦曾这样说过：“我们必须小心，决不可错误地把这个体系看作是同古典物理学的思想方式截然不同的一

第六章/近代科学与物理时间的测度化

115

[1〕 见拉普拉斯：《概率的哲学导论》(Philosophical Essays on Probabilities)。

时间的观念

种新的思想方式。相对论决没有这样的意图。……它并不是完全新的物理学理论；它只不过是根据相对性原理进行修改了的物理学理论。……相对论的思想本质上是同科学已经显现出来的规律和总趋势相一致的。”（1〕这段话十分中肯地指出了相对论与经典力学之间的继承关系，它也适用于评价相对论的时间观的革命性意义。

我认为，相对论所谓时间，依然是测度时间，在这个范围内，相对论大大修正了牛顿的时间概念，然而，它并没有对测度时间本身提出异议，并未在测度时间之外引入新的时间概念。相反，它进一步强调了测度时间的测度本性，指出牛顿的绝对时间根本上不满足测度要求。相对论时间是测度时间的精致化。

作为测度时间，时间本来是指周期运动的计数，它与物质的运动是不可分割的，很难理解脱离了物质运动的时间是怎么一回事。很大程度上出于某些神学的考虑，牛顿引入了绝对时间和绝对空间的概念，将测度时间与物质运动之间的天然联系切断了。事情翻转了过来：不是测度时间依赖于物质运动来规定自己，而是物质运动依赖绝对时间来规定自己，绝对时间本身，则自己规定自己。

爱因斯坦恢复了物理时间作为测度时间的测度本性：时间必须是一个可观测量。时间作为一个可观测量具体体现在“同时性”的可操作性方面。爱因斯坦在“论动体的电动力学”一文中说：“凡是对时间在里面起作用的我们的一切判断，总是关于同时的事件的判断”〔2〕，因此，时间观的变革是从同时性概念开始的。

牛顿力学认为存在一个普适的时间，它对不同地方、不同参照系都同样适用，因此，说两事件同时发生就带有绝对性，不论两事件发生在同一地点还是发生在不同地点，不论是从与事件相对静止的惯性系看还是从与事件相对运动的惯性系看，都是同时的。经典力学主张同时性的绝对性。

116

（1〕《爱因斯坦文集》第三卷，许良英等编译，商务印书馆1979年版，第369页。

〔2〕《爱因斯坦文集》第二卷，许良英等编译，商务印书馆1978年版，第85页。

的确，对于同一地点发生的两个事件，其同时性的确具有绝对性。因为，对当地观察者而言，他只需对照一只钟的读数就可以确认这一点；对远处观察者而言，只要用同一种信号将事件发生的信息传过来，那不管该信号速度有多大，以什么方式传播，同地两事件的同时性都可得以确证。

然而，对不同地点的两个事件，我们如何知道它们是同时发生的呢？如果我们原则上无法知道，那说它们是否同时发生就没有意义。有的人可能会说，两事件是否同时发生是客观的，不应依赖于我们是否知道。这种说法是基于古典物理学的古典唯物主义的“同时性”概念。相对论首先改变的就是这种观念，相对论要求，同时性必须有一个操作定义，没有操作定义的同时性是没有意义的。

异地事件的绝对同时性要求一种以无限大速度传播的信号。对两个异地事件，如果信号速度不是无限大的话，那么，不同地方的观察者就会得出两事件发生的不同次序。这样，绝对同时性就不能得到保证。相反，若用来传递信息的信号速度无限大，那么，观察者不论站在何处，两事件的时间次序都是相同的。

然而，在物理世界找不到以无限大速度传播的信号，相对论假定，光速是信号传递的最大速度，因此，爱因斯坦选定光信号作为定义同时性的信号。不存在瞬时信号意味着绝对的同时性是不可能的。

下面我们可以给出异地事件同时性的一个操作定义。设C是AB的中点，A地和B地两事件发生时各向C发一个光信号，如果两光信号同时为C点所接收到，则说A地和B地分别发生的两事件为同时事件。

该定义把两光信号同时到达C定义为A、B两处事件同时，也就是把光由 A 向 C 以及由 B 向 C 传播的时间定义为相等，由于 AC = BC，因此，该定义也就是规定了光速在AC方向和BC方向上相等。

对于不同的参照系，光源的速度是不同的，若光速随光源的运动而变

第六章/近代科学与物理时间的测度化

117

时间的观念

化，满足速度迭加定理，那么在不同的参照系中，光速在AC方向和BC方向上不可能相等。因此，为了满足同时性定义，光速应该不随光源的运动而变化，这就是光速不变原理，它蕴涵在同时性的操作定义中，是狭义相对论的两大基本原理之一。

在有了异地事件同时性的操作定义之后，我们很容易发现异地事件同时性的相对性。“对一个参考系同时发生的两个事件，一般地说，对另一个参考系就不是同时发生的。”〔1〕

同时性的相对性带来了一系列的物理后果，其中广为人知的是尺缩钟慢效应。尺缩钟慢效应说的是：对于两个相互运动的参照系来说，处在某参照系中的观察者将会发现另一参照系中的物体在运动方向缩短了，其时钟走慢了。这两个效应都只是相对论效应，在本参照系中的观察者将看不出这种效应。而且，相对论效应是相互的，你看见我的尺缩钟慢，我也看见你的尺缩钟慢。

钟慢效应意味着一切周期现象的节奏都变慢了，包括人的生命周期，这就引出了一个十分有趣的双生子宇航难题。假定有一对孪生兄弟，其中的一个要以接近于光速(为了充分显示相对论效应)的速度做一次宇宙航行，按照相对论效应，呆在地球上的那位就会发现其兄弟生命周期放慢，比如，自己活了10年，对方才过了1年。当然，按照相对论，在宇宙飞船上的那位，也会发现呆在地球上的兄弟生命周期放慢，因为在他看来，地球以一个与飞船速度相等的速度反向运动。现在假定，宇航结束了，两兄弟又相遇在一起了，那么他们究竟谁更老、谁更年轻？在狭义相对论的范围内，这个难题是不能解决的。但我们必须注意到，在前述问题中，地球与飞船的运动状态并不相同。飞船为了离开并最后回到地球，都需要经历一段加速时期，而这是狭义相对论所不能处理的。只有最后引入广义相对论，这个问题才有一个最后的答案：历经加速度的那位生命周期更慢些。广义相对论将引力与加速度等效起来，而在引力场中，生命周期将会慢下来。

118

[1）柏格曼：《相对论引论》，人民教育出版社1961年版，第33页。