时间：概念、哲学与物理

时间是什么？

时间是事件得以排列、间隔得以比较、变化得以描述的一种结构。

这个定义包含三个基本部分：

1. 次序：一个事件早于、晚于或与另一个事件同时；
2. 时长：一个过程持续多久，两个事件相隔多久；
3. 变化：对象在不同时间呈现不同状态。

时间同时出现在日常生活、哲学、物理学和心理学中。日常生活用时间安排事件；哲学研究时间怎样存在；物理学研究时间怎样被测量、怎样进入理论；心理学和现象学研究人怎样经验持续、现在与流逝。

时间不是什么？

时间不等于钟

钟是测量时间间隔的物理装置。摆钟计算摆动，石英钟计算晶体振荡，原子钟利用原子的跃迁频率。钟通过稳定、可重复的物理过程比较其他过程的时长。

国际单位制中的秒通过铯-133 原子不受扰动的基态超精细跃迁频率定义。这个频率的固定数值是 9,192,631,770 Hz。它规定了时长单位怎样被实现，没有规定时间在本体上是什么。国际计量局：秒的定义

因此，时间是被研究的结构或物理量，秒是计量单位，钟是测量装置，时间尺度则是协调多个钟后建立的计时系统。

时间不等于变化、熵或主观感受

变化是对象在不同时间具有不同状态。时间是描述这些状态之间次序和间隔的结构。关系论可以主张时间来自变化关系，但仍然需要解释变化的先后、持续和比较。

熵是描述宏观状态的物理量。熵增能够解释宏观过程为什么具有方向，但不是时间的完整定义。

人感觉时间变快或变慢，是受到注意、情绪、记忆和事件密度影响的心理现象，不等于外部钟记录的物理时间发生相同变化。

时间的哲学问题

时间是独立存在，还是事件之间的关系？

一种观点认为，时间是独立于具体事件的背景。事物在时间中产生、变化和消失；即使没有任何变化，时间仍然可以继续。牛顿的绝对时间代表了这种方向。

另一种观点认为，时间首先是事件之间的先后、同时和间隔关系。如果没有事件和变化，也就没有必要再假定一种独立流动的时间实体。莱布尼茨的关系论代表了这种方向。

实体论把时间看作变化发生的背景，关系论把时间看作事件和变化构成的秩序。物理测量能够精确说明过程之间的时间关系，却不能仅凭测量决定这些关系背后是否存在独立的时间实体。

时间有次序，是否意味着时间正在流逝？

麦克塔加特区分了两种时间排列：

• A 系列：过去、现在、未来；
• B 系列：早于、晚于、同时。

A 系列把事件放在不断变化的时态位置中。如果过去、现在和未来是世界的客观属性，那么生成与流逝可能具有客观意义。

B 系列只要求事件之间存在固定的先后关系。一个事件早于另一个事件，不需要再假定有一个“现在”从它们上方经过。时间次序可以是客观的，而时间流逝仍需要另外解释。

过去、现在和未来怎样存在？

现在主义需要解释关于过去的真命题以什么为依据。永恒主义需要解释为什么现在在经验中显得特殊。增长块宇宙保留了真实生成，但需要说明现实增长的边界。

这些理论属于形而上学解释。物理理论可以限制它们，却不能仅靠一个实验选定唯一方案。Stanford Encyclopedia of Philosophy：Time

对象怎样在时间中保持同一？

一个人从儿童成为成人，身体、知识和性格发生变化，我们仍然把他理解为同一个人。

一种理论认为，对象在每个时刻都完整存在，只是在不同时刻具有不同属性。另一种理论认为，对象具有不同的时间部分，儿童阶段和成人阶段是完整生命在不同时间位置上的部分。这个问题连接了时间、变化、身份和因果。Stanford Encyclopedia of Philosophy：Temporal Parts

物理学中的时间

物理学通常不先给出脱离理论的时间本体定义，而是说明时间怎样进入方程、怎样被钟测量，以及不同观察者的时间测量怎样关联。

经典力学

经典力学通常使用统一参数 t 描述系统变化。在理想模型中，时间与具体物体和观察者无关，所有观察者共享相同的同时关系，运动发生在统一时间背景中。

这种模型在日常速度和弱引力条件下非常有效。相对论没有使经典力学失效，而是说明它在哪些条件下是一种近似。

狭义相对论

狭义相对论取消了空间上分离事件的绝对同时性。处于不同运动状态的观察者，可能对两个远处事件是否同时发生得出不同结果。

这不表示时间变成主观意见。不同观察者的测量结果依照洛伦兹变换相互关联，光速和时空间隔的结构保持确定。Einstein Online：Relativity, Space and Time

钟沿自身世界线累计的时间称为固有时。在平直时空的惯性描述中：

dτ = dt × √(1 - v²/c²)

dt 是某个惯性参考系中的坐标时间，dτ 是运动钟累计的固有时，v 是相对速度，c 是光速。

两只钟沿不同路径运动后重新相遇，累计的固有时可以不同。时间膨胀是钟读数之间可计算、可测量的差异，不是观察造成的错觉。

相对论取消的是普遍同时性和统一钟速，不是所有事件的客观次序。能够通过光或低于光速的信号产生因果联系的事件，其因果先后不会因为更换参考系而颠倒。

广义相对论

广义相对论把空间和时间统一为动态的时空几何。物质和能量影响时空几何，时空几何又影响物体和光的运动。

一个钟累计多少时间，取决于它的运动路径和所处的引力条件。不同高度、速度和引力环境中的钟可以产生不同读数。卫星导航系统需要同时修正运动和引力造成的相对论效应。NIST：原子钟与相对论

坐标时间是为描述一个时空区域而选择的时间坐标；固有时是理想钟沿具体世界线记录的时间。坐标可以按照描述需要选择，固有时的比较结果则是可测量的物理事实。

热力学时间箭头

宏观世界具有明显的方向性：热量从高温物体传向低温环境，气体会扩散，杯子会摔碎，记录和记忆指向过去。

许多微观动力学方程近似具有时间反演对称性，宏观过程却显示不可逆性。热力学第二定律用熵的统计变化描述这种现象：在适当条件下，封闭系统极可能从低熵宏观状态演化到高熵宏观状态。

熵增解释了宏观时间箭头的一部分，但还需要一个特殊的低熵过去。为什么宇宙具有这种初始条件，仍然是基础问题。Stanford Encyclopedia of Philosophy：Thermodynamic Asymmetry in Time

量子理论中的时间

普通量子力学通常把时间当作外部参数，量子状态随时间演化。广义相对论则把时空本身当作动态对象。

两者结合时产生量子引力中的“时间问题”：如果时空本身需要被量子化，就不能未经解释地使用一个预先存在的外部时间描述整个宇宙。一些理论尝试让时间从系统内部变量、物理关系或更基本的量子结构中涌现，目前没有获得普遍接受的完整理论。Stanford Encyclopedia of Philosophy：Quantum Gravity

时间经验

人的经验当下不是没有宽度的数学时刻。

听一段旋律时，意识需要保留刚刚过去的声音，并把它与当前声音和即将出现的声音联系起来。否则，人只能听见互不关联的声点，不能听见旋律。这种具有短暂延展的现在可以称为经验当下。Stanford Encyclopedia of Philosophy：Temporal Consciousness

注意、情绪、记忆和事件密度都会影响主观时长。等待可能显得漫长，高度投入会减少对时间经过的监控，具有大量独特记忆的时期回顾时可能显得更长。这些现象说明时间感怎样形成，不表示固有时随着情绪改变。

哲学与物理的边界

物理学描述事件、钟、因果结构和时空间隔之间可检验的关系。哲学研究这些关系意味着什么，以及世界需要具有怎样的存在结构。

相对论使全宇宙共享同一个绝对现在难以成立，但不会自动证明永恒主义。热力学解释宏观过程的方向，但不会单独证明时间流逝是世界的基本属性。心理学解释时间经验，也不会把物理时间还原为主观感觉。

结论

时间至少具有四个相互关联的层面：

1. 它是事件之间的次序和间隔；
2. 它是物理理论中可测量的结构；
3. 它与宏观变化的方向有关；
4. 它是意识组织记忆、当前经验和预期的方式。

经典力学把时间近似为统一背景。相对论把时间与观察者的路径、运动和引力条件联系起来。热力学研究宏观过程为什么具有方向。量子引力继续追问时间是否是世界的基本组成部分。

哲学研究时间是否独立存在、时间是否真的流逝、现在是否具有客观地位，以及过去和未来以什么方式存在。

讨论时间时，应先确定所说的是事件次序、持续时长、钟的测量、时空结构、时间箭头、主观经验，还是时间本身的存在方式。不同层面的结论可以互相限制，但不能互相代替。