时间之箭

章节摘录

　　电磁时间 牛顿提出他的定律，是为了研究引力对大质量物体的作用。但是自然 界中还有其他的力，例如静电力——我们梳头时使头发竖立起来的力。解 释静电现象的定律最后演变为电磁理论，它是物理学的第二个主要的理论 构成。在这里，时间同样是一个棘手的问题。 牛顿引力理论的一个饶有趣味的特点，是它描述了两个大质量的物体（ 例如太阳和月亮）之间的一种瞬时作用，尽管这两个物体并没有直接接触。 这种现象被称为超距作用。它使当时的科学家和哲学家都感到头疼，因为 找不到显而易见的机制去说明它。在《原理》一书中，牛顿叙述道：“我 希望我们能用类似力学原理的推理，导出其他自然现象，因为有许多理由 使我猜想，这些现象都取决于某些力，这些力使得物体中的粒子由于某些 迄今未知的原因，或者相互靠近而连接成规则形状，或者相互排斥而分散 。这些力既属未知，所以哲学家们迄今对大自然的探索仍是徒劳无功。” 对于像一记拳或是一记耳光那样的碰撞力，物理学家和哲学家们可以 理解。可是对于吸引力或排斥力——像牛顿的引力——他们总认为是玄虚 的。牛顿在科学上的主要敌手莱布尼兹，曾把牛顿的工作评论为“引力（不 言而喻，任何牛顿其他的原动力），不是故弄玄虚就是某种奇迹的作用”。 牛顿为了解决这一问题，想象了一个引力场，它从每一个引力质量中流出 ，瞬时弥漫到整个空间，并且随着到物体质量中心距离的增加，它的强度 按平方反比而减少；这样当距离增加一倍时，引力场的强度就减少到四分 之一。 静电力——例如，在带电的梳子和头发之间的静电力——以同样的方 式作用于整个空间。为使这种作用在一段距离外发生，就要假定有一个电 场，就像牛顿的引力场那样。1785年法国人库仑（Charles Coulomb）获得了 必要的实验精度，、为静电力的理论提供了基础。根据他的实验，他得到 了一个把荷电物体之间相互作用定量化的定律。库仑使用了一个扭矩天平 ，这是一个可以测量一对荷电球之间电力的装置。他发现同性电荷相互排 斥而异性电荷相互吸引，在这两种情况下，相互作用力都准确地按照荷电 球之间距离的平方反比而变化（并且正比于两个球电荷量的乘积）。 库仑定律与牛顿的引力定律具有惊人的相似性：两者都用了场的概念 ，都用了平方反比定律，来描述超距作用。诚然，也有一些重要的区别。 电荷有两种类型，正电荷与负电荷。同性电荷相斥，异性电荷相吸。而引 力只有一种类型的“荷”——质量——它总是相吸的：日月星辰之间全都 是互相吸引。 与静电学有关的静磁场的研究，与静电场有非常相像的历史，两者之 间有许多相似之处。当时担任伦敦皇家研究所所长的法拉第（Michael Faraday）1820年在电学和磁学方面进行了独创性的研究，发现运动的或动 态的磁作用与静电作用紧密相关，而且反之亦然。运动的电荷产生磁场， 而运动的磁场在导体中产生电流（第三章中我们将深入讨论这种对称性的原 因）。法拉第的开创性工作，由苏格兰人麦克斯韦（James Clerk Maxwell， 1831～1879）用有力的理论继续发展。麦克斯韦1864年当伦敦大学皇家学院 的教授时，证明了电和磁的作用，是同一个电磁力不同的表现形式。他最 后集其大成的数学方程是如此优美，使得玻耳兹曼（Boltzmann）不禁引用哥 德（Goethe）的语句：“难道是上帝写的这些吗?……”麦克斯韦把法拉第的 电磁定律数学化，其结果现在就叫做麦克斯韦方程。根据这些方程，麦克 斯韦得到一项推论说，电磁信号在真空中应该以一个恒定的速度运动，而 这个速度就是光的速度。 这样说来，我们就很难避免下结论，说光本身就是一种电磁作用。不 久之后，另外一些形式的电磁辐射也被发现了，从此人们知道可见光只是 电磁波谱中的一部分，整个电磁波谱覆盖着从射电波直到X射线以及它以外 的波段。我们熟悉的从红色到紫色的电磁辐射波谱，仅仅只是整个波谱中 的、人的视网膜感觉得到的一个波段。 然而，就像牛顿方程一样，麦克斯韦方程也不区分过去和将来。时间 不论是正值还是负值，方程都是不变的，方程里面不包含过去和将来的区 别。按照麦克斯韦方程，一个像电子这样带电的、有质量的粒子，在电场 和磁场并存的情况下，由于同时受到这两个场的作用，将受到一个以荷兰 物理学家洛伦兹（Hendrik Lorentz）的名字命名的力。这个粒子的运动于是 就可以用牛顿运动方程来描述，洛伦兹力和粒子质量决定粒子的加速度。 这样我们又一次失去了时间箭头。正如先前讲到的引力下的运动一样 ，现在我们在电动力学中又遇到了可逆的力学描述。有关带电粒子在电场 、磁场或者两者并存情况下的实验，证实了这些时间对称的运动方程的解 ，的确给出了正确的动力学结果。可是许多电磁现象，很明显地是具有时 间方向的。从没有人见过光波从照亮的房间里聚回到电灯灯丝，然后被灯 丝吸收；也从没有人见过光线从我们的眼睛跑出来，再被太阳或是其他光 源吸收回去。因此有些人说，存在一种电磁的时间箭头，它可以排除这些 “倒转”过程，原因是这些过程的初始条件被实现的几率极小。这种说法 和我们前面已经反驳过的，有关公牛和瓷器店的说法十分相似。 电和电磁辐射在守时技术方面起了很大的作用。依赖于个别地方准确 守时的“地方时”制度由此结束，取而代之的是全国性的“国家时”。这 给出了一个全国范围共同意识的“现在”。无线电波可以使遍布全国的钟 表时间同步。当第一个电报系统1838年在英国被采用时，人们就已认识到 ，用同样的办法，可以传播来自同一个主钟的信号。电使得钟表的准确性 比以往大大提高。在美国的贝尔实验室，借助于电路装置的晶体石英钟， 早在20世纪20年代后期就已经问世。在这类钟里，石英晶体像音叉一样， 以恒定而且非常准确的频率振荡。这一频率是石英晶体的特性，与机械钟 不同的是，它和钟表的设计基本无关。 1948年，设在华盛顿的美国国家标准局成功地把一种分子振动用于守 时，为原子钟铺开了道路。原子钟的“滴答”频率是完全与工艺设计无关 的。美国国家标准局当时用的是氨分子，它的形状像金字塔，由三个氢原 子和一个氮原子组成。三个氢原子构成一个环，氮原子前后跳动穿过这个 环，就形成了钟的“滴答”走时。最古老的守时钟就是我们所在的这颗行 星了，它的缺点是它的转动速率不是完全稳定的，与此相比，原子钟要好 得多了。由于地球极冠的冰雪冻结和融化，潮汐的摩擦以及其他产生于地 球内部深处的作用，一天的长度在一年之中，有千分之一秒左右的涨落。 这对于现代超精密的守时需要来说，是完全不够的。 P46-50

前言

1977年诺贝尔化学奖获得者    伊里亚·普里高津    我十分高兴在此为彼得·柯文尼、罗杰·海菲尔德的这本书写篇前言。    时间有箭头吗?这问题自从苏格拉底以来，一直迷魅着西方的哲学家、科学家和艺术家。然而，在20世纪末期的今日，我们问这问题，情况与以前不同。对一个物理学家来说，20世纪的科学史可以分为三个阶段。首先是两项思想方案——相对论和量子力学——所产生的突破。其次是一些出入意料之外的事物的发现，包括“基本”粒子的不稳定性、演化宇宙论，以及包括诸如化学钟、决定性混沌等的非平衡结构。最后——也就是现在，由于这些新的发展，我们必须对整个物理学作重新思考。    这里一个令人瞩目的特点是：所有这一切都强调着时间所扮演的角色。当然，在19世纪，人们都已经承认时间在生物学、社会科学等学科

内容概要

彼得·柯文尼博士，在威尔斯大学担任物理化学教授，曾是牛津凯博学院的研究员。曾经和诺贝尔化学奖得主伊里亚·曾里高金教授一起从事研究工作。现居北威尔斯的可温湾。
    罗杰·海菲尔德博士，伦敦通讯日报的科学编辑。曾当选1987年最佳年度医学报道记者，1988年最佳年度

书籍目录

前言

序

第一章 时间的形象

第二章 牛顿物理学的兴起：时间失去了方向

第三章 时间使爱因斯坦受挫

第四章 时间的量子跃迁

第五章 时间之箭：热力学

第六章 创造性演化

第七章 时间之箭与生命之箭

第八章 统一的时间景象

第九章 未结束的探索

编辑推荐

《第一推动物理系列:时间之箭》作者用精彩的语言，权威性地赋予时间方向感，并呼吁找出能涵盖时间箭头的全新理论。《第一推动物理系列:时间之箭》作者引导读者济览了所有企图解开时间奥秘的重要科学理论。他们探究时间的物理理论——牛顿力学，爱因斯坦的相对论，量子理论与势力学——以及考查更广泛的时间昭示：时间如何出现在诗、化学到生物学——从"马维尔的双翼战车"和"生理时钟"到造成旅行时差和星期一早晨沮丧心情的原因。 最后他们总结各种不同的时间阐释，描述出一种崭新方式赋予时间方向感，并呼吁要找出能涵盖时间箭头的全新理论。“时间”仍是人类最难解答的谜之一，虽然当今重要科学理论都有它的踪迹，但是仍然缺乏明确的对"时间"的科学解释。例如：时间在很多重要的科学理论中没有方向，是“可逆的”。

作者简介

《第一推动物理系列:时间之箭》论证了现代科学理论关于时间的最普遍观点。时间就像一只箭，射向未知的前方，把过去永远留在后面。作者回顾了3个世纪的科学史，大胆地对牛顿力学、爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论、量子力学以及最近的混沌理论进行了重新解释。

图书封面

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