时间的故事

时间的故事/李孝辉，窦忠编著.--北京：人民邮电出版社，2012.10

（到宇宙去旅行）

ISBN 978-7-115-29069-4　

Ⅰ.①时… Ⅱ.①李…②窦… Ⅲ.①时间—青年读物②时间—少年读物 Ⅳ.①P19-49

中国版本图书馆CIP数据核字（2012）第169702号

每个人都离不开时间，每个人都使用时间，但时间是什么，却很难说清楚。本书力图用浅显生动的语言，说明时间是如何产生的，并分析了时间的重要性，介绍了历史上时间的各种定义、时间的传递方式、时间的各种单位，以及时间在各行各业的应用。

本书适合具有中等文化程度的读者阅读，也可作为卫星导航、时间频率领域的工程技术人员的入门读物。

编著李孝辉窦忠

◆人民邮电出版社出版发行北京市崇文区夕照寺街14号

邮编 100061 电子邮件 315@ptpress.com.cn

网址 http://www.ptpress.com.cn

北京瑞禾彩色印刷有限公司印刷

◆开本：700×1000 1/16

印张：14.25 2012年10月第1版

字数：208千字 2012年10月北京第1次印刷

ISBN 978-7-115-29069-4

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主　编：李　元

副主编：李　竞

编　委：（按姓氏笔画为序）

　　　齐　锐　　陈　丹　　陈冬妮

　　　李　元　　李　竞　　李　鉴

《时间的故事》的故事

2011年10月底，中国天文学会2011年学术年会在江西南昌举行。一天，大会报告厅正在举行关于时间的会议报告。报告人是中科院国家授时中心的李孝辉博士，他以通俗生动的语言配合幻灯片，讲述了精密时间频率测量技术的发展。报告引用了大量历史事件和故事，使听众大为着迷。

“时间”虽然是我们常挂在嘴边的一个词，但是细想起来，“时间”究竞是怎么一回事，还真不容易说清楚。即使是天文学界的人，如果不是这个专业的天文学家，也未必能说得那么明白和生动。

报告人从理论到实践，从日常生活讲到科学研究，使人感到时间的确有它的奇妙与深奥。

在座的听众中有一位女士专程从北京赶来，她就是人民邮电出版社科普出版分社的毕颖女士，她很想在会上捕捉到一些信息能对科学传播有所贡献。这一场报告使她明白了许多有关时间的科学知识，而且这些知识也是一般人很少知道的。因此，会后她就找报告人李孝辉博士直接面谈请教，而且希望他能够向更多的人讲授时间的常识和时间的故事。没有想到，李孝辉博士慷慨应允，双方一拍即合。

不久，《时间的故事》的编写提纲就到达了出版社，而且十分详尽，竞有数十页之多。经过责任编辑与本丛书编委会的讨论，又与作者交换了意见，几个月后，初稿完成，真是通俗易懂，内容新颖，可谓我国介绍时间的图书中一本值得称赞的佳作。

当我阅读了全书的彩色清样之后，感到这的确是一本可读性强、文图皆好的书，里面的许多插画十分有趣。我感到要写出一本好的科普读物，作者当然要是这方面的行家里手，但是还要有科普创作的激情和动力。

凡事都有它的偶然性和必然性。如果没有出版社的资深编辑亲临现场和深刻感悟，这本书可能也不会这样顺利地和读者见面；如果没有作者的积极写作和所具备的创作才华，这本书也不会写得如此成功。

时间是极普通的名词，却有着那么丰富和深奥的内涵。专家与编辑从不同的地点和不同的时间出发，最后相遇在同一科学场所，居然在不到365天的时间里，演绎出了《时间的故事》，这难道不是时间本身在其中扮演着奇妙的角色吗？

时间是我们使用最多的一个词，无论我们作任何事情，都离不开时间。挥手召唤之间，低头沉思之际，时间会不经意地从我们身边流逝。历史上众多文人墨客都对时间的流逝发出了无尽的感慨，也对时间的本质进行了深入的研究。

但直到现在，还没有哪一种关于时间本质的学说被世人一致认同，也就是说人们并没有搞清楚时间是什么。借用古希腊哲学家奥古斯丁的话来说——“时间是什么？没有人问我，我很清楚；有人问我，我想说明，便茫然不解了。”每个人对时间的感觉正是如此，好像知道时间是什么，但要说清楚时间是什么的时候，就不知道时间是什么了。

现代人对时间有明确的定义，但只是时间功能的定义，就是确定一个维度的坐标，这与空间坐标类似，人们把时间和空间统称为四维时空。定义时间的目的就是确定事件发生的时刻，这样，可以比较两个事件发生的先后顺序。从这种意义上来说，我们生活的空间和时间是组合在一起的，三维空间分上下、左右、前后，还要增加时间的一维：过去、现在和未来。

本书没有对时间的本质进行任何研究和说明，只是力图用浅显、生动的语言说明现代人定义的时间，说明时间传递的各种方法，说明时间在各行各业的用途。

鉴于时间和空间的耦合关系，本书的第六章是关键内容，说明了导航和时间的相互促进、相互发展，这一章是本书的中间环节，承前启后。

第六章之前是时间产生的各个环节，在对时间的作用进行展示的基础上，让人从各方面感受时间，也从古代和现代的各个方面分析了时间的重要性。实际上，时间的产生也是人类社会各种需要促进的结果，生产、生活和交流的需要，产生了时间的各种单位，也产生了不同的时间定义，而时间产生出来以后，只有通过各种方式传送到用户，才是有效的时间，为此，人们几乎利用了所有的通信手段来传递时间。

第六章之后是时间在各个行业的应用，总的来说，时间在各个行业的主要功能是进行时间同步，但不同行业，时间同步的作用并不相同。在通信行业，时间同步以后，才能正确地翻译出需要的信息，时间充当翻译的角色；在电力行业，时间又充当着故障探测的角色；到了深空探测行业，时间则控制着火箭的发射和望远镜单元的协同工作……本书形象地展示出了时间在不同行业扮演的不同角色。

最后，本书对时间的最终命运也进行了说明。需要说明的是，时间的最终发展方向是当前宇宙学研究的热点，仍然有很多争议，本书只是选择了其中的部分研究成果，如果读者有兴趣的话，可以查阅相关的文献进一步了解。

本书从最初的创意到提纲的确定，再到最后书稿的完成，毕颖编辑都投入了大量的心血。本书在编写过程中，得到了边玉敬研究员、李志刚研究员、漆贯荣研究员、王丹妮研究员、卢晓春研究员、杨旭海研究员、华宇研究员的大力帮助，张慧君博士、许龙霞博士、薛艳荣博士、刘娅博士、施韶华博士、朱峰博士等人收集了详细的资料，在此表示感谢。路凯、韩博等人为本书绘制了大量插图，李静怡同学为本书的插图提出了不少的修改意见，徐刚和郭纲两位集邮爱好者提供了相关邮票图案，在此一并表示感谢。同时还要感谢国家自然科学基金重点项目（110033004）提供的科研条件。

由于作者水平有限，其中难免存在一些疏漏之处，恳请广大读者批评指正。

时间是什么？牛顿、爱因斯坦等科学家都花大量的时间进行研究，但都没有确定的结果。这里，也不准备讨论这个问题，我们将从各方面感受形形色色的时间，认识时间对生物的作用，分析文学作品、伟人对时间的感受。

有一个谜语：“最快而又最慢，最长而又最短，最平凡而又最珍贵，最容易被人忽视而又最令人后悔，无影无形而又无处不在的东西是什么？”

我们都知道，答案是时间，但什么是时间？没有一个人能给出准确的说明，因为时间太难于把握了。正如大哲学家奥古斯丁说的：“时间是什么？没人问我，我很清楚；如果有人问我，我想说明，便茫然不解了。”

时间有独特的特性

时间与长度、质量、温度等7个物理量作为基本的物理量，是许多物理过程的支撑，但与长度、质量、温度相比，时间有独特的性质。

首先，时间不能通过生理感觉理解。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，只能通过意识或者观察时间引起的变化来感觉到时间的存在。

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。对于质量，如果我们要称量一堆物体的重量，可以从这一堆里的任何一个开始，也可以反反复复地称量。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。

第三，时间是不断变化的。我们可以买一个米尺、一杆秤，用完以后可以把它放在抽屉里，再过几天、几周甚至几年再拿出来，仍然可以用，但如果我们买了一个测量时间的钟表，放在抽屉里过几天，表停了，这个表再拿出来，已经不能用了。如果想用，必须把这个表与另外一个标准的表对一下时间，把表的时间调准，这个表才能恢复为测量时间的表。

最后，我们可以给朋友写信，问他家的桌子有多宽、有多重，他会写信告诉你，这些信息在你收到信后仍然有用。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，时间已经改变了。

时间是可以感受到的

确实，时间无影无形而又无处不在，我们虽然看不到时间本身，但我们却能看到时间的痕迹。从树的年轮、人的成长过程，都能看到时间的痕迹，感受到时间的作用。

时间有不同的作用

时间是客观存在的，对任何人任何物，时间是相同的，但时间在不同事物上的痕迹却是不同的。

3天，可以是一个人的梦想。美国伟大的盲女作家海伦·凯勒，渴望拥有3天的光明，用来看看她的朋友、回访生活过的环境和寻找新的喜悦。3天，也是一个人的壮举。美国退休隐居的富翁霍华德·休斯用不服老的精神，在1938年用3天多的时间乘坐飞机环绕地球一圈。3天，还不到人一生时间的千分之一，却是一条秀丽线虫短暂的一生。

时间就是生命。鲁迅先生说：“浪费自己的时间等于慢性自杀，浪费别人的时间等于谋财害命。”这就说明了珍惜时间的重要性。

对于学者来讲：“一寸光阴一寸金，寸金难买寸光阴。”学者只有珍惜时间才能创造自己的价值，为人类的文明发展，开拓新的知识天地。反之，不珍惜时间，碌碌无为地过日子，明日复明日，不但毁了自己的前程，还给国家带来经济上的损失。

对于军事学家来讲，珍惜时间就是胜利。红军要飞渡金沙江，夜以继日地行军，其目的就是争取时间，夺取胜利。可见珍惜时间是多么重要，这关系着国家的生死存亡。

对于经济学者来讲，时间就是金钱，就是效率。随着市场经济的高速发展，时间越来越被人们重视，大家都在抓紧时间创造效益，创造财富。

时间包含的内容是多方面的，从生命、周期到生物的节律，都是时间的内容，不同的人对时间的要求也不一样。与时间内容的多样性相同，时间的跨度也是千差万别的，要测量出这些时间，需要使用物理、化学、生物、天文等诸多方面的知识。

时间蕴涵的内容是不同的

时间可以对应一个具体的点，记载着过去的历史。1903年12月17日，莱特兄弟首次驾机成功飞行。1949年10月1日，毛泽东在天安门城楼庄严宣布，中华人民共和国成立了。

时间是一个生命存活或者一个事物持续存在的全过程，有时我们称之为年龄、寿命。如宇宙和地球的年龄，基本粒子如介子的寿命，一些动植物的寿命等。

时间是一种物体有规律运动的快慢的表征，也就是物体稳定运动的周期或者频率中存在的延续性。有些钟摆的周期是1秒，地球的自转周期是1天，地球的公转周期是1年，哈雷彗星的运行周期是76年，交流电的周期是0.02秒等。

时间是生物生活的节律。哺乳动物、鸟类和昆虫等睡眠、妊娠的时间，花朵的开放时间，这里的时间，蕴涵一件事的发展过程。

不同的人对时间的感受是不同的

时间均匀地流逝，对所有人都是公平的，孔子站在河边望着流动的河水感叹：“逝者如斯夫，不舍昼夜。”在很长一段时间，秒我们知道的时间就像孔子心里的时间一样是连续不断的，是单向有序前行的。

爱因斯坦曾通俗地解释相对论：“如果你在一个漂亮的姑娘身旁坐一个小时，你只觉得坐了片刻；反之，你如果坐在一个热火炉上，片刻就像一个小时。这就是相对论的意义。”如果牛顿有知，他绝不会同意爱因斯坦的说法，牛顿心中的时间是绝对的，与参考系无关，与空间无关。

我国著名散文家朱自清曾对时间的匆匆流逝发出无奈的叹息：“洗手的时候，日子从水盆里过去；吃饭的时候，日子从饭碗里过去；默默时，便从凝然的双眼前过去……我掩着面叹息，但是新来的日子的影儿又开始在叹息里闪过了。”如果霍金出现在朱自清面前，可能会加重朱自清的叹息。因为霍金认为黑洞里引力特别大，时间走得异常的慢。

这里，朱自清用到了两个时间的概念：“洗手的时候”——时刻的概念，“日子从水盆里过去”——时间间隔的概念。

时间包含时刻和时间间隔

时刻表示事件发生或者结束的时间点；时间间隔表示事件发生所持续时间的长短，但通常人们都模糊地将两者表述为时间。

在说事件持续时间间隔的时候，与发生的时刻是不相关的，时刻对同步非常重要，同步就是两个时间同时性。海陆空一体化联合作战，需要在同一时间对敌人发起进攻，因而时间的同步就非常重要。我们在看以前的战争片，经常有这句话“现在对表”，这就是时间同步，统一各部队的时间。相隔几千千米的两个人进行通话，可能他们对通话的时间间隔、通话的时刻并不在意，但他们两个通话设备的时间同步非常重要，否则，两个人的话音就会重叠在一起，无法区分。

不同的时间差别极大

自然界是形形色色的，每个事件都有其持续的时间，不同事件持续时间的跨度差别极大。有些寿命极长，如天体的年龄以数百亿年计，组成原子的质子寿命甚至超过10²⁸ 秒，但有些寿命极短，Z粒子的寿命只有10^-25 秒。最长的和最短的相差10⁵³ 倍。

10⁵³ 有多大？一粒米只有1毫米大小，10⁵³ 粒米集中在一起，组成的球比太阳系都大！有成语说轻如鸿毛，鸿毛的质量为0.001克，10⁵³ 根鸿毛集中在一起，不但比地球重得多，甚至比1亿亿个太阳还要重！从这里，可以了解到最长的时间和最短的时间的差别。

不同范围的时间测量方法不同

但这么长的时间和这么短的时间是怎么测量出来的呢？科学家有科学家的办法。

测量天体的寿命，先测量天体能量的损耗速度和该天体的质量，然后根据质量和能量转换关系估算天体的寿命。这样，天文学家可以测量数百万年到数百亿年之间的时间间隔。

测量地球的年龄、岩石的形成时间，一般采用放射性元素衰变法，并形成了一个专门学科——地质纪年学。放射性元素的衰变速度是恒定的，在岩石中测量放射性元素已经衰变的质量和没有衰变的质量，两者相比就可以确定岩石的年龄。用这种方法估算出地球的年龄大概是45亿年。

测量古生物的时代，利用的是古生物的生理节律。例如，古动物生活时期所处环境影响到古动物的生理特征，这些生理特征会影响到古动物的生长节律，也就会在骨骼、贝壳等的外部形态和内部结构上铸成各种花纹和图样，这些花纹和图样是古生物生理节律的记录。当研究了古生物化石上反映的生理节律以后，对照现代同一生物的生理节律，并与现代计时方法比较，便能推断古生物时代的时间记录，这就是古生物时钟。古生物时钟证实了地球自转速率长期变慢的论断。研究这种时间测量方法的科学是古生物节律学。

日、月、年、世纪的测量属于天文学历法的范畴。历法实质上是根据地球绕日公转周期和地球绕轴自转周期来测量时间的，这两种运动形成了地球上的四季和昼夜的交替，其规律与人类活动密切相关。但由于这两种运动没有成整倍数关系，如何照顾四季和昼夜这两种现象，便构成了编制历法的基本任务。

现代时间测量，并不是指上述的广义时间测量，而是指小于天的时间间隔测量，对于一些专业天文台和物理实验室，时间测量的概念是秒以下时间间隔的测量。目前，能直接测量的时间精度大约在飞秒量级。

文学作品中，对时间有两种观念。古希腊哲人赫拉克里特曾说过这样一句名言：“你不可能两次踏进同一条河流”，这表示时间是线性的；而庄子则说：“方生方死，方死方生”，这表明时间是圆的。

中国人对时间的体验，既具有发现和发明的真理性，又富于生动的形象性和美感。孔子只用了一句话就把时间说得形象朴实而道理深刻——“子在川上曰：逝者如斯夫，不舍昼夜。”这个“逝”字，可以理解为：往、去、流、飞、速、死六种意思。主要是说，时间的不可逆性、无法分割、飞速向前！打个浅显的比方，只有美少女变成老太婆，而老太婆绝不可能变回美少女，这说明了时间这种向前流动不可倒退的特征。庄子说得更妙：“人生天地之间，若白驹之过隙，忽然而已。”

李白的诗文中有多处描写到时间：“天地者，万物之逆旅；光阴者，百代之过客”，“容颜若飞电，时景如飘风”，“弃我去者，昨日之日不可留”，“君不见黄河之水天上来，奔流到海不复回。君不见高堂明镜悲白发，朝如青丝暮成雪”……透彻而达观、神奇而可爱、形象而生动，诗句丰富、鲜活、深邃而又充满活力！面对疾驰的时间，古今中外的诗人，唯有李白活得如此潇洒、瑰丽、自信而浪漫！

西方的作品，也多是在感叹时间的流逝。约·昆·亚当斯在《沙漏》中唱道：“一曲未终，白驹已过千里，童年、青春和壮年都已过去，岁月在额头上犁下了深沟；过去的时间已经过去，未来的时间还会来临。干了这一杯吧！可现在的时间，又在哪里呢？”波兰诗人乔·赫伯特有一句形容时间慢而韧的言简意赅的比喻，他说“时间是一把无声的锉刀”。呜呼——现实总是不完美的，所以普希金曾经为一位小女孩的纪念册题诗道：“心，永远憧憬着未来；现在，却常是阴沉；一切都是瞬息！一切都会过去！而那过去了的，就会变成亲切的怀念。”

时间流逝性是中西方的共同感觉

在文学作品中，无论人们认为时间是怎样的构成，有一点是相同的，即都感叹时间的稍纵即逝，就像子在川上曰：“逝者如斯夫”。因此，几乎所有的文艺作品都认为时间非常重要，时间是如此重要，当时当下，我们再不能够重复来过。这种感悟，在全世界各地的人群中，大体上表现都应当是一样的。

人生固有的悲剧色彩，其中最大的原因，就是时间对于我们的生命，仅仅只有一次。而人到了中老年后，又会不约而同地感悟到人生太短促，可贵的光阴真的是一去不返，最终的死亡结局，终将是人人都不可回避的事实。因而，悲剧性的文学作品，似乎能给相当多的成年人有更多的真实感和认同感。

《西游记》中，齐天大圣孙悟空在上山拜师学本领的时候，曾三次请求师傅教些长生不老的仙术，藏在深山中身怀绝技的师傅都未能作出正面回答，最后教了他72般变化。这样一位在天地间神化出来的、能上天入地的、一个筋斗可翻出十万八千里的、自称齐天大圣的石猴，不仅自己不可能会长生不老，而且拜在高师足下也学不到长生不老。由此可见，时间是何等珍贵，所有的人和事物，都是有其寿限的。

在这里就已经看到，文学作品摆脱不了要直面悲剧人生的无奈，或者可以直接说，文学作品摆脱不了是要注释人生对时间的无奈。在此，还可以换一个角度去看，不少悲剧性题材的文学作品，已经是在让人们从中去体味到真实时间存在的事实，即面对唯一的、循序渐进的、不能逆转的寿限。任何伟大的或卑微的人，在时间面前都是同样的、平等的，不可回避地要受时间支配走向死亡。

时间机器的目标是实现时间旅行

文学作品中表现出来的这种对真实时间的感受，都来源于时间流逝性，为了克服这点，有很多文学作品都在创造时间机器，以实现时间旅行。

科幻作品《飞向人马座》描写了一种原理简单的时间机器。坐在宇宙飞船中，以光速离开地球，看到地面的所有物体都是静止的。如果离开地球的速度大于光速，就可以看到时间倒流，钟表是向后转的，汽车是向后退的。这种时间机器虽然简单，但是不会实现，因为相对论说过，不会有超光速现象。

科幻作品《时间机器》描写了一种类似于气球的时间机器，作品中使用了虫洞的概念，宇宙中的虫洞相当于高山中的隧道，如果虫洞的一端在黑洞等质量极大的天体上，这一端的时间是缓慢甚至是停滞的，经过10年后，虫洞的两端时间差就是10年，从虫洞中可以回到10年以前。

人们在很多电影里，尽情发挥自己对时间的想象。我们能不能回到过去？能不能超越现在，进入未来？时空隧道成为科幻题材中，人们自由穿越时间和空间的一个模式。

在电影《大话西游》中，至尊宝所做的也正是想使时光倒转，只不过在这里，时间机器变成了月光宝盒，时空变化也变成了极具东方特色的转世和轮回。电影《回到未来》带领大家做了一个时空旅行，喜欢音乐和滑板的高中生马丁，驾驶时间机器从1985年回到了1955年，而正是这个让时光倒转了30年的偶然事件，悄然改变了很多人的命运。人们在这部电影中实现了一个长久的梦想，那就是，一切都重新来过。电影最后的一幕则是，在荒芜的海滩上，宇航员发现了掩埋在沙子中的自由女神像，原来这个星球就是地球！离开地球18个月的宇航员遨游太空后，却回到了公元3978年的地球，这正好应了中国的那句古话：天上一日，地上一年。看来有些时候，我们计量时间多少应该有点宇宙的观念。

看到过去的事情是可行的

到目前为止，时间机器只是人们的想象，还没有实现。不过，只要做一个简单的实验，你就可以看到过去，并且这个实验非常简单可行，一个人就可以完成。

找一个晴朗的白天，带一个滤光片（可以用一个墨镜代替），走到一个空旷的野外，抬头看看太阳，注意不能直视，要不然就会烧伤眼睛。看到太阳了吗？恭喜你，你看到了8分钟以前的事情，因为太阳光从发出到地球要花费8分钟的时间。如果有兴趣，等到晚上，看看星星，你有可能看到几十亿年前的东西，因为有的星星的光从发出到地球要花费上亿年的时间，也可能是几十亿年。仔细观察一下，说不定还能看到几十亿年前的外星人呢！

公鸡报晓，是人们所熟知的，其实，留心看看大自然里的生物活动，你会发现，自然界是一座美丽的时钟。

植物有时间观念

仔细观察一下各种花儿开放和凋谢的时间，就会发现它们各有一张时间表，做啤酒的麻草在黎明三点左右开放，到八九点钟就凋谢了，牵牛花大约在清晨四点才打开喇叭，到中午时便收拢了；早上五点钟野蔷薇放开笑脸；六点钟蒲公英向你点头；七点钟芍药开始争艳……到了太阳当顶的中午，美丽的午时花才显示它的美貌；傍晚，丝瓜花悄悄地打开了；日落西山以后，夜来香不声不响地开始吐芳；而在皎洁的月夜里，月光花才开始打开花瓣，好像美女揭开了面纱。

不同地区有不同的花钟，同一季节里，不同时间开花的花草，可以组成不同的花钟。计时花园的历史已很悠久，并有过辉煌的时代。古代中国人最早设计了计时花园，就是把能完整指示一天时间的花草种植在一个庭园里。瑞典的植物学家林奈爵士，也根据各种花的开放时间制成了花钟。欧洲罗马帝国和查理曼大帝时代的计时花园，是把大理石日晷、黄铜日晷或水钟安置在园内，种植的花卉本身却不能显示时间。

动物有时间观念

植物知道时间，小动物也是这样。东方欲晓，百鸟就开始啼鸣了。日落西山，鸟入林，鸡上架，躲在地洞里的老鼠却蠢蠢欲动了。猫头鹰似乎知道老鼠的底细，它白天睡觉，夜间到田野中巡逻捕鼠，不用小闹钟，到时它自然就醒了。

不仅如此，连没有手表的昆虫也知道花儿开放和凋谢的时间：辛勤的蜜蜂一早飞向牵牛花，中午飞向午时花。至于夜蛾，它们是夜来香的客人，每天晚上，总是准时去拜望“她”。

大自然为每一种动物安排了一张“作息时间表”。猪、牛和羊等家畜总是在白天活动的，可是猫却喜欢在白天睡大觉。每当夜幕降临，猪、牛和羊开始入睡时，猫才伸伸懒腰，活跃起来了。鼯鼠的“作息时间”有一点和猫类似，它白天待在树洞里，夕阳西下后才钻出来活动，在树林里张“翼”滑翔，捕猎食物，一直忙到天将破晓，才回洞穴休息。鸟儿们也都是按时“起床”的：东方欲晓，公鸡就一跃而起，首先“引吭高歌”；接着，鸭群苏醒了，争先恐后地发出“嘎嘎”声；没多久，早起的麻雀也吱吱喳喳地喧闹开了；白头翁是喜欢睡懒觉的，金色的阳光早已普照大地，它们才慢腾腾地放开歌喉。

美国加利福尼亚州有个奇特的农场，100多头毛驴是这个农场的职工，它们承担了那儿所有的农活。有趣的是，到了中午12点，所有的毛驴都会自动停止工作，谁也无法强迫它们继续干活。而到了下午6点，它们又会重新干起活来。

除此之外动物还懂得日程，燕子每年都要进行一次“长途旅行”。冬天，燕子南飞，到南洋群岛、印度和澳大利亚等地“避寒”；春暖花开的时节，它们又成群结队地北上，早春二月，它们飞到我国的广东，三月间到达福建、浙江及长江下游，四月初就可以在秦皇岛看到它们的踪迹。

在墨西哥的下加利福尼亚半岛沿海，总有一群来自北冰洋的灰鲸一年一度前来“拜访”。北半球漫长的冬天开始后，成百头灰鲸告别北冰洋，以每小时6.4千米的速度南游，穿越白令海峡，横渡浩瀚的太平洋，在二月初到达墨西哥，旅程长达1万千米。它们从不“失约”，每年到达的时间，最多相差四五天。

每年五月，在月圆以后，美国太平洋沿岸会出现一次最大的海潮。闪闪发光的银鱼，就是被这一年一次的巨大海潮冲上海岸的。在海岸上，银鱼完成了传宗接代的任务后，又被海浪卷回大海。

最奇妙的要算一种叫琴师蟹——也叫招潮小蟹——的动物了。这是生活在海滩上的一种小蟹，它的雄蟹有一只巨大的螫，使雄蟹看上去就像一位正在拉小提琴的琴师，为此人们就把它叫做琴师蟹。白天，琴师蟹藏在暗处，这时它们身体的颜色会变深；夜晚，它们四处活动，身体的颜色又会变浅。引人注目的是，琴师蟹体色最深的时间，每天会推迟50分钟。要知道，大海涨潮和落潮的时间，每天也恰好推迟50分钟。看来，动物与大海的时间表之间也有着某种默契。

生物有时间观念的原因

究竟动物们的时间观念来自何处？

原来，在动物的体内有一种类似时钟的结构，这就是生物钟，正是它使动物的活动显示出了极强的规律性。科学家用蟑螂做了一个实验。每当傍晚时分，它们都显得特别活跃。科学家把蟑螂关在一个黑暗的笼子里，发现它们的活动周期是23小时53分，和地球的自转周期非常相近！那么蟑螂的生物钟在哪里呢？科学家在蟑螂的食道下方，终于找到了这个生物钟，它是一种神经组织，这一组织能在体内有节律地产生控制蟑螂活动的激素。

如果把绿蟹的眼柄摘除，它们的体色随昼夜变化的规律就会消失，这说明绿蟹控制这一规律的生物钟就在眼柄内。

近年来发现，鸟儿的生物钟就在它脑子的松果腺细胞里。一到黑夜，鸡的松果腺细胞便分泌一种叫黑色紧张素的激素，使鸡知道该去睡觉了；如果把一只麻雀的松果腺摘除，这只麻雀每天的活动周期就消失了，这时若将别的麻雀的松果腺移植进去，活动周期便恢复了。

现在已经知道，生物钟五花八门，多种多样：有和昼夜相适应的日钟，有和潮汐相适应的潮汐钟，还有和地球公转、季节变化相适应的年钟。正是这些生物钟，使动物能在大自然中，正常地生活、觅食和活动。

生物钟又称生理钟。它是生物体内的一种无形的“时钟”，实际上是生物体生命活动的内在节律性，它由生物体内的时间结构序所决定。

人也有生物钟，通过研究生物钟，目前已产生了时辰生物学、时辰药理学和时辰治疗学等新学科。可见，研究生物钟，在医学上有着重要的意义，并对生物学的基础理论研究起着促进作用。

人体随时间节律有时、日、周、月、年等不同的周期性节律。例如人体的体温在24小时内并不完全一样，早上4时最低，18时最高，相差超过1℃。人体的正常的生理节律发生改变，往往是疾病的先兆或危险信号，修正节律可以防治某些疾病。

许多学者的研究指出，按照人的心理、智力和体力活动的生物节律，来安排一天、一周、一月、一年的作息制度，能提高工作效率和学习成绩，减轻疲劳，预防疾病，防止意外事故的发生（所谓智力生物节律，就是人一天中有时记忆力好，有时则差，有一定的规律，如有的人早上5～9时记忆力好，而另一些人则是晚上记忆力好，等等）。反之，假如突然不按体内的生物钟的节律安排作息，人就会在身体上感到疲劳、在精神上感到不舒适。

从古至今，奥古斯丁、伽利略、牛顿、霍金等物理学家都对时间进行了分析，研究了时间的特性，深化了人们对时间的认识。

奥古斯丁的时间与运动是分开的

奥古斯丁从在寺院做小僧侣的时候，就负责定时敲钟，一定程度上说，他掌握着寺院的时间。后来，奥古斯丁对时间进行了分析，他不赞同亚里士多德认为的时间是日月星辰的运行的观点，也反对其他人认为的一切物体的运行是时间的观点。他认为，运动不是时间，运动的持续也不是时间。如果是前者，因运动速度不同，时间就有了快慢，但时间是均匀流逝的。如果是后者，运动停止了，时间并没有停止。

奥古斯丁的贡献在于，他把运动和时间分开，提出了时间均匀流逝的观点。他认为，时间是思想的延伸。度量的时间，不是已经不存在的时间，不是绝无长度的时间，也不是没有终止的时间。所以不度量过去、现在、将来，或正在过去的时间。奥古斯丁想证明的是度量时间，不是度量过去的事物、现在的事物和将来的事物，而是时间经过现在时，心灵中所留下的印象。

因为奥古斯丁所处的年代久远，他对时间的认识还是比较初级的阶段。

牛顿的时间是绝对不受干扰的

到了牛顿，他将前人的观点进行整理深化，提出了绝对时间的观点——绝对的、真实的、数学的时间，就其本质而论，是自行均匀地流逝的，与任何外界的事物无关。

时间是客观世界自然存在的运动过程，运动的速度不会任意改变，也就是惯性，这就是时间。如果时间整体是同步加快或变慢，在其内部无法发现变化，所以，只能认为一切都是不变的，这就是牛顿时期科学的基础。这个时候的人们认为，时间和空间，是独立于自然界的概念，可以永久存在。

爱因斯坦的时间是与空间耦合在一起的

爱因斯坦推翻了牛顿的观点，他提出了四维时空的概念，认为牛顿的绝对时空观念是错误的，不存在绝对静止的参照物，时间测量也是随参照系不同而不同的。

爱因斯坦的相对论揭示出：我们生活中所面对的是三维空间加上时间构成的所谓四维空间。由于我们在地球上所感觉到的时间很慢，所以不会明显地感觉到四维空间的存在，但一旦登上宇宙飞船或到达宇宙之中，本身所在参照系的速度开始变快或开始接近光速时，我们能对比地找到时间的变化。如果你在速度接近光速的飞船里航行，你的生命会比在地球上的人要长很多。这里有一种势场所在，物质的能量会随着速度的改变而改变，所以时间的变化及对比是以物质的速度为参照系的，这就是时间为什么是四维时空的要素之一。

在我们的眼中，空间是三维的，可以把空间理解成许多平行平面的堆积：要想在空间中从一点运动到另一点，我们可以先沿着一个方向前后走，再向两边走，最后上下走。换句话说，需要第三个向量才能到达空间中的所有点。同样，四维空间则是一个需要四个不同方向才能到达其中所有点的空间。这种空间，可以认为是许多平行的三维空间的堆积。

要理解上面的概念，想象一下把一张张纸并列叠起来的过程。如果人不把它们一个个堆叠起来，这些纸张不会延伸进三维空间。以同样的方式，要想进入四维空间，就必须向一个新的方向运动，这个方向必须是在三维空间以外的。要到达四维时空中的每一个点，一个人不仅需要向前后、左右、上下移动，还要沿着第四维时间的方向运动。

上面提到的是爱因斯坦用几个星期提出的狭义相对论，里面有些无法解决的悖论，后来，爱因斯坦又用了10年，提出了广义相对论，基本完善了四维时空的理论。

爱因斯坦给出了四维时空，这只是时间变化的特性，没有解释时间的起点与终点。

霍金的时间是有起点的

霍金更进一步，把时间分成了三类，或者是总结了三种时间箭头。第一种是热力学时间箭头，即在这个时间方向上无序度或熵增加；第二种是心理学时间箭头，这就是我们感觉时间流逝的方向，在这个方向上我们可以记忆过去而不是未来；第三种是宇宙学时间箭头，在这个方向上宇宙在膨胀，而不是收缩。

所谓的热力学时间箭头是指，宇宙中的万事万物都是由有序朝着无序发展的，比如在一杯热水中放入一块冰，冰会慢慢融化，这样无序度增加了，在物理上说是熵增加了。因为熵一直是增加的，也就不会出现这样的情况：你放一杯水，突然一部分变热而另一部分变成冰。熵增加导致人会老死，物会破旧，太阳会因为热的耗散而“死”去，等等。正是因为这种情况的存在，才会给我们以心理上有时间存在的概念。

我们对时间方向的主观感觉或心理学时间箭头，是在我们头脑中由热力学时间箭头所决定的，这就是第二种时间箭头出现的原因。

至于说第三种时间箭头，则是随着宇宙的膨胀而产生的。宇宙起源于一次爆炸，现在在膨胀，未来可能收缩，并重新归于一点，这样的过程给人以时间感。

这三种时间箭头的方向是一致的，不会在三者之间出现相反的方向。也就是说，我们不会把宇宙的膨胀看成是宇宙将要诞生，也不会把一只杯子从桌子上掉下去摔碎看成是杯子在桌子上之前的事情。这也同时意味着，我们不可能回到过去，哪怕是在未来宇宙收缩的阶段。

总的来说，霍金认为宇宙起源于一个奇点。奇点一般被视作黑洞的中心，内里的密度无限大、引力无限强、时空曲率无限大，在宇宙诞生之时，全部物质聚成一点，这亦即为奇点，宇宙是从奇点开始的，时间也是从奇点开始的。

霍金认为宇宙中存在很多象黑洞一样的奇点，从一个奇点直接能到另一个奇点，那么，也有可能回到宇宙开始的那一个奇点，这就给人以实现时间旅行的一种猜想，但这只是霍金给出的猜想。

从物理学角度来看，要进行时间旅行，就要克服星际间距离遥远的障碍，而克服遥远距离障碍的最好办法是扭曲空间。例如北京和华盛顿相隔很远，在较短的时间内到达不了。如果大地像一张纸，能够折叠，只要将大地的两端折叠起来，让华盛顿和北京叠在一起，两地的距离不就拉近了吗。那么，时空可以扭曲吗？根据相对论，只要有超大密度的区域，这是办得到的。如果时空扭曲了，宇航员就可以像蚂蚁从折叠纸的一面爬到另一面那样，很容易地跨越遥远的时空距离。而扭曲时空需要的超大密度的区域，只能是黑洞。黑洞能将时空扭曲成漏斗状，并在“漏斗”底部，把两个完全不同的时空结构连接起来。这就是现在所说的虫洞，《时间机器》这本小说就借用了这个想法。

时间的故事

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