李淼：时间在物理学中仍最难理解|嘉宾新著先睹61

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【栏口词】热点问题的学术解读平台——文汇讲堂至今已举办了141期，汇聚了280余名各界精英和学界领军人物。2019年的“嘉宾新著先睹”，摘编嘉宾从2018年7月至2019年年底出版的新著、序、主编说，展示学者们最新研究成果，彰显新时代的文化自信和中国力量。栏目将从7月13日起至12月，每周2-3期。7-11月已刊发54篇，12月将刊发9篇。

本栏目以著名物理学家、科普作家李淼（文汇讲堂第108期嘉宾）的《<三体>中的物理学》开篇，6个月的时光里，60本嘉宾新著陆续与读者见面。今逢年末之际，讲堂带来李淼的又一新作《给孩子讲太空》，本书从生活日常，讲到天体与宇宙；从黑洞、虫洞与时光机器，讲到相对论、时间简史与量子力学，涉及的知识领域广阔，用科学来解释生活的可能性和多元化，带孩子仰望星辰，发现宇宙之美、科学之魅。

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《给孩子讲太空》，李淼著，责编唐婧，江苏凤凰文艺出版社2019年5月出版，定价：48.8元

【跋选编】

弦论下一步的重大进展，实验将起到关键作用

数学家哈代同学写过一本《一个数学家的自白》，这是通常的翻译，严格地说，应该翻译为“一个数学家的辩解”。我没有哈代的成就，也就只能自白而不能辩解了。

哈代写那本书，本意是想说明研究纯数学的动机。他有英国人的贵族精神，认为纯数学的价值就是它的自身。知识不一定有用，或者说，不一定有功利的效用。

纯粹数学不需要辩解，因为对数学发展的推动除了来自其他学科的要求，还有数学本身发展的需要，这包括数学概念的自我创新，基于数学本身提出的难题和逻辑扩张。

理论物理则完全不同，尽管有些时候理论物理的问题也是自身逻辑扩张的结果（如广义相对论），但最终要实验来检验。不能证伪的理论不是科学。然而，我研究理论物理，起初的动机恐怕和哈代一样，只是出于好奇，只是觉得理论物理本身很美。因为，将世界上的万物纳入几个原理上简单的方程本身就是一个奇迹。这个奇迹为什么会发生，到现在也没有人知道答案。

我大学毕业以后从宇宙学开始做研究，经过超对称、超弦，转了一个圈子又回到宇宙学，当然，弦论也还在做，20多年下来，研究的基本是纯理论问题。最终回到宇宙学，还是因为弦论发展的结果，虽然实验也起了很大的作用。七八年前，宇宙微波背景辐射谱中的涨落的测量，不断有新结果，几乎每周都听到新闻，自然不知不觉地对我产生了影响。台大黄伟彦教授不遗余力地推动宇宙学研究，对我再次研究宇宙学也起了很大的作用。

弦论到了21世纪，面临很大的难题。弦论自身的确提出了很多问题，例如，如何解释一个不为零的宇宙学常数，或暗能量？如何回答粒子物理中的问题？我们到底在容纳粒子标准模型的同时，能不能够确切地作出新的粒子物理预言？这个问题单子可以开得很长，但很遗憾，没有一个问题在可见的未来能够得到回答。这就是弦论目前遇到的大难题。十年前，我还在相信弦论自身的逻辑发展足以推动弦论的发展，直到有一天我们一举写下基本方程，计算出一些重要的物理量。现在我基本改变了看法，不觉得弦论下一步的重大进展会来自理论自身的发展，而是觉得实验将起到关键的作用。关键的实验可能来自宇宙学，也可能来自LHC（即Large Harden Collider ，大型强子对撞机），更有可能来自目前我们还不知道的某些实验。

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数学家哈代著《一个数学家的自白》

我目前研究的宇宙学问题中有一部分在很多人眼中也还是太玄。例如我想知道宇宙大爆炸的起源，我想知道在我们的视界之外还存不存在其他宇宙区域，其中物理规律可能和我们这个区域完全不同。我还想知道物理常数是偶然的，还是逻辑上可以完全确定的，等等。这些问题看上去很玄，其实是和目前以及将来的实验相关的。这些问题不是我前面说的纯粹弦论问题。除了我提到的宇宙学“终极问题”之外，我也研究小问题，更实际的问题。

近几年来写一点科普文章，主要动机也是想做一些对他人有用的事情，即使写博客，也是如此。写科普和写博客，最好的期望是读者能从我这里得到知识，最差也是一种有趣的交流。

——李淼《一个物理学家的自白》

【正文选编】

精确的铯原子钟，300万年的误差为一秒

西方人提醒你注意时间时，往往会说“时间在滴答”（time is ticking），当然翻译成更文雅的说法是“时间在流逝”。

滴答本身说明计时是怎么完成的，沙漏就是一种计时方式，假定一定体积的沙流出需要一个固定的时间。与之类似的是利用某些运动的周期性，例如一天就是太阳升起到降落到再升起，而一年则是季节的一个周期变化。古人早就注意到这些自然现象的周期性而制定出历法，最早的历法已经有五千年了。而水钟在古巴比伦和埃及可以上溯到公元前16世纪。据说机械钟在西方可以追溯到13世纪，却没有保留下来的实物。保留下来的最早的机械钟制造于1430年，这是用弹簧驱动的钟。最早的记录分（没有秒）的时钟制造于1475年，后来出现了记录秒和分的钟。

伽利略是第一个注意到钟摆的运动是周期性的，他似乎也有过利用钟摆来制造时钟的想法。惠更斯计算了一秒钟对应的摆长是99.38厘米，制造了第一个用钟摆驱动的时钟。可见，钟表的原理和精确度与某个被利用的周期运动有关。机械钟一般能准确到一天误差一秒就算好的了，我们日常生活中也不需要更准确的时钟。

20世纪50年代，精确计时进入原子钟时代。原子钟是怎么工作的呢？我们这里以最准确的铯原子钟为例。铯两个能级跃迁辐射的电磁波频率是9192631770赫兹，如果我们制造一个仪器将铯的振荡周期正好乘以这个数，就是一秒。这个仪器的工作原理如下：将液体铯蒸发成气体，然后让气体铯原子通过一个磁场，这个磁场将处于不同能级的铯分离出来。低能级的原子得以通过U型的空腔。这些低能级铯原子随即被波长为3.26厘米的微波照射，一部分被激发打到热丝上被电离，电离的铯原子经过电路放大。这样，调整照射铯原子的微波的频率使得电流达到最大，微波的频率正好就是9192631770赫兹了。这个频率电子化后用来控制一个石英晶体，保证其振荡频率为500万赫兹。这是原子钟的输出。

目前最精确的铯原子钟可以达到每天误差为一纳秒，这个精度是什么概念？这等于说300万年这个钟的误差是一秒。最早的原子钟利用的不是铯原子，而是氢原子。

时间测量的精度以及长度测量的精度在现代科学实验中越来越重要。例如，不到两个月前的惊人的中微子实验告诉我们中微子也许超光速了，这就要求时间测量的精度达到数毫秒的误差不超过纳秒。自然，原子钟达到这个精度很容易，但是，测量中微子速度还涉及到两地原子钟的同时性校准。实验家认为，时钟的校准不会是个问题。

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高精密度铯原子钟

时间只能从过去流向未来，是热力学的原因

孔二同学站在河边曾经感叹过“逝者如斯夫，不舍昼夜”，是说时间的流逝，像水流一样。这句话自然是感叹年华逝去不可复得。搁在今天，深层的含义就是时光机器的不可能，人不可能返老还童，也不可能乘坐时光机器回到过去、一切从头来过。

时间只能从过去流向未来，是热力学的原因，就是说给定一个孤立系统，熵不会变小。我们通常看到的例子是：覆水难收，热从高温处流到低温处，鸡蛋在一定条件下变成小鸡，而小鸡在几乎任何条件下都变不回鸡蛋。前两个例子是熵增大的直接例子，而鸡蛋和小鸡的例子是熵增大的间接例子。人的生命过程以及记忆，也是熵增大的间接例子，和鸡蛋变成小鸡一样。生命过程和时间箭头一样，指向未来：人从出生、成长到衰老到死亡，是从过去到未来的过程，而不是相反。我们当然可以将生命过程拍成电影，然后倒过来放映，这样我们会看到人从老逐渐变年轻最后变成婴儿这种魔术性的过程，但实际生活中却永远不会发生。虽然生命本身的演变不一定是熵减少的过程，但维持生命的发展需要消耗能量和外界的有序性，也就是说，将生命和它的环境加起来，熵是增大的。所以，热力学第二定律禁止人的返老还童现象，因为将环境算进去这是一个熵减少的过程。

同样，记忆和生命的过程类似。我们只记得过去，不能“记得”未来。我们可以将人脑看成一个系统，它储存的记忆越多，某种意义上就越有序。一个完全没有记忆的大脑是浑沌的大脑，完全无序。这样，在人的成长过程中，通过经验的积累和学习的积累，我们的记忆越来越丰富，这当然指的是过去，因为过去的时间越来越多。大脑逐渐有序化的代价是我们消耗能量以及环境的熵增大，所以，记忆的时间箭头和热力学的时间箭头是吻合的。

热力学第二定律非常容易理解。假定在一个箱子里放上一些原子，假如开始的时候原子都在一个角落里，随着时间过去，原子逐渐分散到箱子中，这是扩散的过程，也是熵增大的过程。熵是态的数目（严格地说是态数目的对数）。开始的时候，原子待在角落里，可能的状态数目自然小，而后来可以待在整个箱子中，状态数目大多了。我们在咖啡中加一点牛奶，开始的时候牛奶聚在一起，后来逐渐扩散开来和整个咖啡混在一起，这同样是扩散过程，也是熵增大的过程。我们不可能看到牛奶和咖啡在开始的时候充分混合，后来牛奶逐渐聚在一起，这和再收覆水一样不可能。

现在问题来了，既然熵是增大的，那么宇宙在过了很长时间后，为什么熵没有达到极大，从而熵保持固定，从而我们不可能看到熵增过程？在我们前面的例子中，为什么开始的时候原子都待在箱子的角落，牛奶聚在一起？对这个问题的追问，最终都回到一个“终极”回答，就是，宇宙的寿命是有限的，而宇宙在开始的时候熵几乎处于极小状态。所以，即使经过了大约140亿年，宇宙的熵还在增加，从而我们可以看到热力学第二定律在起作用。

熵的概念所描述的是不同排列方式的数量

时间是否是绝对的？目前还存在争论

撇开时间的单向性，我们想问，在物理学中，时间究竟是什么？很遗憾，直到今天，除了一些操作性的定义，我们并不知道时间究竟是什么。时间的操作定义与人们心理上感到的时间很类似，也就是说，当我们感到变化，我们觉得时间流过，或时间在流逝。所以，时间和变化即运动有关。为了量度时间，我们需要找到可以信赖的运动，例如天体在天空中的位置的变化。一天，就是太阳升起落下和再升起，或星星在天上东升西落一个周期；一月，是月相变化的一个周期；一年，是地球绕着太阳运动的一个周期。所有这些都和周期运动有关。有时，我们觉得这样定义的时间并不准，这和周期是否是严格的有关。现代授时技术已经用到了原子钟，这是基于某些原子的跃迁频率而设计的。

在牛顿力学体系中，时间独立于空间均匀地流逝，即使牛顿力学具有伽利略相对性，这里的相对论性也只涉及到空间，不同惯性参照系中的空间不同，时间却完全一样。在狭义相对论中，时间不再是完全独立的，新的相对性原理要求不同参照系中的时间和空间都不同，在从一个参照系变到另一个有相对速度的参照系时，时间和空间之间有线性变换。但是，即使在狭义相对论中，时间和空间也还是完全不同的。例如，一个参照系中静止的时钟标志的两个不同的时间被看成两个事件时，在另一个参照系中不会变成同一个时间在空间上不同点的事件。用专业的术语说，类时间隔的事件不会变成类空间隔的事件，反之亦然。

和现代引力理论一样，量子力学也给予时间特殊的地位。在决定波函数演化的方程中，时间被单独地挑出来。波函数决定一个物理系统的一切，含有在一个给定时间系统的全部信息。如果我们想得到该系统在另一个时间的全部信息，我们就会用到波函数在时间中的演化方程。有人试图将演化方程“协变化”，即把时间和空间尽量放在同等的地位，时间依然与众不同。如果我们将引力和量子力学结合起来，会发生让时间显得更为独特的事情，因为时间和空间本身也是动力学变量，我们不再有演化方程，我们只有“静态”的方程，这个“静态”方程决定的波函数其实隐含着时间，因为时间只是波函数中的一个动力学变量。但是，如果我们试图给予波函数一个物理解释，我们似乎不得不挑出某一个变量作为时间（例如宇宙的平均大小，或者某处的一个变量如你们家的时钟）。从这个角度来看，尽管可以用几乎是“任意”的变量来作为时间，但一旦将这个时间取好了，它就是标志整个宇宙的时间，有某种意义上的“绝对”性。

对时间是否是绝对的，目前还存在争论。总之，时间在物理学中仍然是一个最难以理解的概念。

——袁琭璐选编自第二讲《原子钟在滴答》《时光之箭》《读不懂的时间》

【目录】

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【作者简介】

李淼，理论物理学家，畅销科普作家，文津图书奖得主。1982年毕业于北京大学天体物理专业，1984年获中国科学技术大学理学硕士学位。1989年赴丹麦哥本哈根大学玻尔研究所学习，1990年获哲学博士学位。1990年起先后在美国加州大学圣塔芭芭拉分校、布朗大学任研究助理教授，1996年在芝加哥大学费米研究所任高级研究助理。1999年回国，任中国科学院理论物理研究所研究员、博士生导师。

身为物理学家的李淼也活跃于科普领域，他从刘慈欣的科幻史诗作品《三体》延伸出的《〈三体〉中的物理学》出版后获得世界华人科普金奖等多项大奖，少儿科普《给孩子讲量子力学》获得文津图书奖，《给孩子讲宇宙》《给孩子讲相对论》《给孩子讲时间简史》也深受读者欢迎，屡获大奖。

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2017年，李淼做客第108期文汇讲堂《“墨子号”的成功与中国式的科技创新》

【编辑感言】

宇宙时间起源，现在最热门的一种学说是大爆炸理论。但有学者认为，宇宙大爆炸学说是人类对于宇宙形成的一种猜想，时间的性质究竟如何也是一种猜想，并没有一个确切的定论。时间之谜还有待科学研究的深入开展来探究。读太空知识读物，最害怕的莫过于其中所列的各种物理公式。据说著名物理学家霍金在出版《时间简史》时，出版商就告诫他少引用公式，否则读者会大幅减少。《给孩子讲太空》这本书就做到了这点，李淼用最简单明了的讲述方式来讲解科学知识，并引用了不少故事和例子，其中不乏一些我们所熟悉的神话传说、电影故事和小说情节。本书虽说书名是给“孩子”看的一本书，但对太空知识了解不多的成年人来说，也颇宜阅读。

【有奖留言】

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