什么是时间?什么是空间?

“时间”是什么?它为什么就会消逝了?我们为何留不住它?你对消逝的“时间”有一种恐惧感吗?在生活中,我们每个人都想加速做完一件事情,都想赶紧实现自己的心愿,这些都是时间给我们带来的压力。因为我们都知道,生命对每个人都是有限的。然而,不同的人对于“时间”的感觉又是不同的,有的人有紧迫感,有的人很放松,这就使得人们看待“时间”的态度千差万别。德国学者汉斯·约阿西姆·施杜里希在他的《世界哲学史》的结语中说道: “……科学与哲学可以相互协作探讨的主题就是时间。鉴于迄今为止的相对论、量子论和宇宙学已经停止了对这个宇宙之谜的进一步探讨,所以我也不相信,在指日可待的时间里,时间之谜(歌德在他的《普罗米修斯》中说,时间不仅是人类的主宰,而且也是众神的主宰)能够被揭穿。”看来受到时间困扰的人并不少,包括那些思想深邃的哲学家。“时间”到底是什么?下面我们就来谈谈有关时间的定义。

结构的不可逆性和时空的相对性

物质的运动状态可能是有序的,也可能是无序的;可能是可逆的,也可能是不可逆的;运动的结果可能是确定的,也可能是不确定的。不同的运动方式决定了物质结构的形成和它未来的进化方向,这也是所有物质结构进化必须遵循的大原则。对于物质来说,所谓时间的方向并非指一个看得见、摸得着的时间流,而是指物质的运动开始脱离了无序的状态,走向了非对称、非平衡的状态。这便是一切物质结构进化的开端。在确定性和不确定性因素的双重作用下,各种形态的“不可逆结构”不断地生成,并进入漫长的进化历程。所有的形态和变化取决于物质结构相互作用的方式。不可逆性让我们可以用时间去计量物质结构进化的速度,同时也可以让我们在空间中去观测物质结构进化的过程。也就是说,不可逆性既创造了“时间”,又创造了“空间”,我们所看见的“时空”正是物质结构持续进化的结果。

不可逆结构的出现意味着物质均匀、平衡的状态遭到了破坏。结构的进化意味着物质持续远离平衡的状态,其过程包含了能量向物质的转化、物质不断地聚集以及物质结构不断地复杂化这些过程。当物质开始远离无规则的运动状态,形成了有序的结构,它们的运动也因此有了方向性。物质的有序运动状态成为了不可逆结构进化的标志。同样,这是时间的起源,也是我们现在看到的这个美丽世界的开始,随后各种千奇百怪的物质结构便自发地涌现出来。

在物质的不可逆结构中,空间和时间同时显现了。由于自然力的作用使得物质脱离了均衡的状态,建立了具有进化特征的动态平衡状态,因此它们的“生存之路”就不再平静,而是与各种变化相伴而行。这时,时空的特征便有了参照物,这个参照物就是能量和物质结构的变化过程。

不可逆结构的特征决定了物质不是永恒的,有些结构的寿命很长,有些结构的寿命很短,这取决于它们如何保持自身相对状态的平衡。相比而言,时空概念对于物质来说显得更加重要。因此,空间并不是一无所有的独立存在,时间也不是一个永不停顿的度量标尺,它们是与物质和能量的不可逆性相关的描述方式,它们反映了宇宙变化的整个面貌。

为了准确地了解事物运动的规律,人类必须选择自己的计时标准,那些最稳定的、最有规律的物质运动状态成为最佳的计时工具,后来人类又发明了一些人造的计时工具。例如,最初人类根据太阳和月亮周期性运动建立了历法,后来利用有规律的机械运动设计出了钟表,如今人类利用原子吸收或释放能量时所发出的电磁波来计时,制造出了精准的原子钟。很明显,越有规律的运动模式越适合作为计时工具。虽然人类发现了自然界某些有规律的运动方式,但这不意味着循环往复的运动方式是一种常态,这些运动只是宇宙进化过程的一些局部现象,循环往复的运动方式或早或晚要被打破。

虽然我们拥有一个统一的、标准的计时工具,但是我们同样会以各自独特的方式感受时间的流逝,因为不同的人或者不同的事物都以不同的方式进化着,这意味着他们(它们)的时间标准并不相同。德国哲学家海德格尔曾说过:“与其说人类生活是发生在时间之中的,毋宁说人类生活就是时间本身。”我们所感觉到的时间就是周围环境或我们自身所发生的变化,爱因斯坦称之为“心理学时间”。它是一种真实的、独特的、不可逆的计时方式;科学定律中所定义的时间则是爱因斯坦认可的“物理学时间”,它是一种抽象的时间,与“心理学时间”完全不同。实际上,“物理学时间”是为了方便科学研究而假定的一种理想化的时间,也是使用统一的计时工具得到的“无差别”的时间。可以说,“物理学时间”与具体事物的特征没有关联,对它而言度量的重要性远远胜过对时间本质的解释,因此它并没有隐含不可逆性。我们必须要区分物理学中“同质化的时间”和人的经验中的“个性化的时间”两者的差异,知道我们谈论的是哪一种时间。既然时间与物质和能量的运动相关,那么时间也就是用来描述物质和能量的“数学方法”之一,而不是一个“客观实在”。如此这般,“时间”作为一种处理方法既可以是可逆的,也可以是不可逆的,这取决于它所描述的对象的运动状态。既然如此,我们就没有必要再执着于“时间”的概念,“时间”对我们来说并不是实质性的,它只是用来描述一个确定的或不确定的运动过程,而时间的“概念化”恰恰掩盖了它的本质。我们所要关注的是,事物是如何相互作用的,以及相互作用又如何改变了它们的运动状态?在此过程中,“时间”仅仅是一个工具,而不是一个具体的客观实在。

当人类不得不聚集在一起生活时,“个性的”时间便逐渐消失在“公共的”时间之中。为了方便起见,我们通常选择某个参考系的时钟作为统一的计时标准,它便成为人类社会度量时间的唯一工具。但是,我们不要因此忘记了时间的本质,即时间永远和某个具体的结构联系在一起。

拥有王子并不难呐,我家就有十个。(偶尔我也会讲冷笑话[笑cry])

新解锁的“波斯王子”,喜欢。
紫色系玫瑰中最喜欢的要不是高贵中有点遗世独立的海洋之谜,像少女;要不就是这款有点神秘、有点浓烈却又不张扬的波斯王子,像妇人。

最近买鲜切有点心碎,好容易灰霉或霜霉,“宝贝爱人”和“黄金芥末”全军覆没……当然,最好是管住自己的手和钱包。

【月球火山“死亡”时间可能在10亿年内】45亿年前,太阳系。一颗与火星大小的行星撞上了地球,碎片四溅,弥漫在地球的周围,聚集出一个新的星球——月球。

这是科学家对月球形成过程的一种猜测。他们认为,最初,月球是一个处于熔融状态的火红球体。随后,轻的物质浮上表面,迅速冷却成外壳;重的物质则下沉到月球内部,滚烫炙热。内部的岩浆不时冲破外壳喷薄而出,之后又被冷却形成新的外壳。日复一日,月球的外层冷却部分越来越厚,内部的岩浆再也喷不出来,火山“死”了。

可是,月球火山是什么时候“死”的,还没人能说得清。美国阿波罗计划带回的月球样品显示,月球火山作用主要发生于38亿年前至31亿年前;已发现的与火山作用有关的最年轻月球陨石形成于25亿年前左右;一些地球物理模型则显示月球火山作用止于20亿年之前。而最近,中国科学院国家空间科学中心项目研究员张锋及合作团队发现了直接证据,证明月球火山的“死亡”时间在10亿年之内。

相关论文信息:
https://t.cn/A6IWFxoC
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▲ 月球脸上长“包”了

作为一名研究月球地质的科学家,张锋需要时常检查月球的高分辨率遥感影像。

2017年,张锋还是澳门科技大学的科研人员。有一天,他像往常一样聚精会神地看着大屏幕上灰色的月球画面,当他的眼神缓缓划过代表着月球火山岩平原的暗色部分时,突然,一个从未见过的奇怪影像出现在他的视线里。

“怎么有这么多‘包’?”张锋心里暗自打鼓。他放大图片、睁大双眼。在他面前,月球火山岩平原上,或散落、或成簇地分布着一些与传统月球火山不同的小土丘,它们普遍缺少喷口,直径小,顶部平坦,而且周围被凹陷地形环绕。

此时,恰逢两位80多岁的老科学家——美国布朗大学火山地质学家James W. Head和俄罗斯撞击坑研究专家Alexander T. Basilevsky到澳门科技大学访问交流。张锋把图片拿给两位前辈看。“这种东西我们也没见过。”两位老科学家一边说着一边凑近图片细细地看。

他们当即决定合作开展研究,并将这种小土丘命名为“环形凹陷穹丘”。基于比较行星学研究,他们认定小土丘的形成与喷发到月球表面的熔岩成分,及其在月表的动力学行为有关。

图1:高密度聚集分布的环形凹陷穹丘群,阳光从图片右侧射入(图片来源:张锋)
图2:基于三维成像的独立环形凹陷穹丘(图片来源:张锋)

“火山喷发后期,相对富含水等挥发成分的熔岩,注入到已冷却的熔岩壳下面,在月表真空和低重力环境下,里面的压强增大,导致上覆冷凝壳破裂,从而引起内部减压。就像可乐瓶被打开了一样,泡沫岩浆在压强的驱使下沿裂隙上涌并在表面聚集。内部物质的排放和表面重力的加载,则导致周围地形下沉并形成环形凹陷。”张锋说。

2017年,他们将研究成果发表在《地球物理研究快报》上。

▲ “包”形成于哥白尼纪

由于这些“包”是在火山喷发作用下形成的,通过研究“包”形成的时间,就能反推出火山喷发的时间。可是,怎样才能知道“包”形成的时间呢?

常用的思路是通过数“包”上的撞击坑,然后套用模型计算。月球撞击坑是科学家用来衡量时间的参照物。在阿波罗登月之后,科学家们曾根据着陆点的撞击坑数量、大小等情况和月球样品分析,建立了撞击坑大小-频率分布统计方法。有了这个模型,研究者们就可以根据每平方公里面积的撞击坑数量和大小,推算出撞击坑形成的时间。

然而,这些“包”平均直径只有200米,“包”上的撞击坑也不可能太大太多,对于如此小的面积,原先的模型方法很难适用。

但张锋很快萌生出了新的研究思路。自从2017年之后,他们陆续发现了9000多个“包”,其中,有一些“包”伸入到撞击坑内部。“环形凹陷穹丘是在熔岩流动过程中形成的,我们从后续研究中发现,一些环形凹陷穹丘部分填充到了直径小于300米的小型撞击坑内部。”张锋说。

图3:部分填充到小型撞击坑内部的环形凹陷穹丘(图片来源:张锋)

他表示,这些环形凹陷穹丘相关的火山作用,在发生时间上应该晚于这些小型撞击坑,如果得到小型撞击坑的年龄,就可以确定环形凹陷穹丘的形成年龄上限。换言之,先有“坑”,后有“包”,知道了“坑”的年龄,就能大致推出“包”的年龄。

于是,张锋与研究团队合作,采用月球表面侵蚀和发展模型等多种定年方法,研究了几十个延伸到“坑”里的“包”,发现它们的年龄范围在1.3亿年到15亿年,多数小于10亿年。

“也就是说,月球在最年轻的地质年代——哥白尼纪(大约11亿年前至今),仍有火山活动。”张锋说。

▲ 更多待解之谜

张锋等人的研究成果发表在《地球物理学研究杂志:行星》上,评审专家在匿名评审意见中写道:“判断月球火山活动的熄火时间,对于我们理解月球热演化具有重要意义。这篇文章令人振奋,很有启发性,从多个层次为未来研究和月球探测提供了判断依据。”

评审专家认为,这项研究为月球上存在10亿年内火山作用提供了直接证据,也可以作为未来选择载人或无人探月任务科考点时的参考依据。

如今张锋最盼望的,就是有一天登月着陆器能够在月球上开展实地测量并带回岩石样品。“只有通过实地测量和样品分析,测出来的结果才是最可靠的。”对待科研,张锋保守而较真,“假如通过真实的样品测量,发现现在的研究结果不正确,就证明目前普遍采用的月球定年方法还有问题,有待于月球科学界的同行们进一步改进和完善。”

从1609年伽利略将望远镜对准月球开始,人类对月球已经探索了400多年。直到20世纪美国实施“阿波罗登月计划”,21世纪我国正式开展月球探测工程——嫦娥工程,月球相关研究开始突飞猛进。但总得来说,400多年的探索是在不断的推测与验证中推进的。

在这项研究之后,关于月球火山还有很多问题等待回答和验证。“如此年轻的火山作用是如何发生的?10亿年内的火山喷发是由什么触发的?发生晚期内部熔融事件的热源又来自哪里?”张锋说,根据目前月球热演化理论,还没有证据显示月球晚期内部曾发生过大规模熔融事件,而针对这些科学问题,他们的研究还将继续。https://t.cn/A6Il7pkG


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