什么是時間？

作者丨H.賴欣巴哈

時間是人類經(jīng)驗中最突出的特性之一。

我們的感官向我們提供它們在時間次序中的感知，通過這些感知，我們參加在時間的總流程中，這個在宇宙中發(fā)生的總流程產(chǎn)生著一個接一個的事件，并把它的產(chǎn)物留在它的后面，使之成為某種流動的實體的結晶，而那種流動的實體在過去是未來的東西，在現(xiàn)在則成了永不能變更的過去的東西了。我們處在被叫做“現(xiàn)在”的這一流程的中央；但是，目前是現(xiàn)在的東西正在滑到過去中去，同時我們又移向一個新的現(xiàn)在，永遠地留在一個永恒的現(xiàn)在中。我們不能制止這個流程，我們不能使它倒行，而使過去回來；它冷酷無情地載著我們前進，不讓我們停息一下。

企圖把時間的這種心理學描述翻譯為數(shù)學方程語言的數(shù)學家，發(fā)現(xiàn)自己面對著一個不容易的任務。不足為奇，他一開始就采取了把他的問題加以簡化的辦法。他剔除這個描述的感情部分，把他的注意力集中于時間關系的客觀結構上，希望這樣就能達到一個邏輯建構，來說明我們關于時間所知道的一切。那么，我們關于時間所感到的一切就應該可以解釋為一個有情感的機體對于一個具有那些特性的物理結構的反應了。

這樣一種處理辦法可能會使具有詩情的讀者感到失望，但是，哲學不是詩歌。它是通過邏輯分析而進行的意義澄清工作；圖像語言在它那里是沒有位置的。

第一件使數(shù)學家關心的事是時間的計量標準。我們認為時間是由一種均勻的流程所進行的過程，它不依賴于我們觀察中的隨著我們對于我們的經(jīng)驗內(nèi)容所作的情感上的注意而變動的主觀速度。均勻性意味著有一種量度的存在，即有一種相等性的計量存在。我們比較著連續(xù)的時間間隔，并有辦法說出在什么時候它們是同樣長度的。這些辦法是什么呢？

我們用標準鐘校正我們所帶的表；標準鐘則又由天文學家來校正。天文學家用恒星來校正他的標準鐘由于恒星的運動是地球轉(zhuǎn)動的映像，因此，我們用來作為我們的標準時計的乃是轉(zhuǎn)動著的地球。那么我們怎么知道轉(zhuǎn)動著的地球是一個可靠的時計呢，即是說，怎么知道地球所記錄的是嚴格的均勻的時間呢？

當我們問天文學家他是怎么知道這一事實的時候，他就告訴我們，我們使用地球時計時必須十分謹慎。如果我們把太陽的某一次上中天（通過天頂?shù)臅r候）到下一次上中天這一段時間即是從一個中午到下一個中午算作一天，我們就不會達到一種均勻的時間，這一種時間，即太陽時，是并不完全均勻的，因為地球繞日運行所沿的軌道是一個橢圓形。為了避免這樣造成的誤差，天文學家用某一恒星的上中天所決定的周期來計量地球的旋轉(zhuǎn)，這種時間叫做恒星時，排除了地球運行所造成的不規(guī)則性，因此恒星離開地球是那么遠，地球?qū)τ谝粋€遙遠的恒星的方向可說是不變的。

那么，天文學家又怎么能知道恒星時是真正均勻的呢？當我們問他時，他會回答，嚴格說來，就是恒星時也不是完全均勻的，因為地球的自轉(zhuǎn)軸并不老是保持同一方向，而是擺動的，即有點像轉(zhuǎn)動著的陀螺的擺動那樣微微搖擺的。（這種擺動的運動很慢，完成一個周轉(zhuǎn)要經(jīng)過約25000年。）因此，天文學家稱為均勻時間的東西，是一種不能直接觀察的東西；他得用他的數(shù)學方程式表達出來，他的結果則將表現(xiàn)為他對于觀察所得的數(shù)字所作的某些校正。

那么，所謂均勻時間就是天文學家借助于數(shù)學方程式投射到可觀察的資料中的某種時間流程。

只有一個問題還未解決。天文學家怎么知道他的方程式?jīng)Q定著一種嚴格均勻的時間呢？天文學家會回答，他的方程式表達著力學定律，因為這些方程式是從自然觀察中推導出來的，所以它們是有效的。但是，為了要檢驗這些觀察所得的定律，我們又必須有一個參考時間，即一種均勻時間，根據(jù)這種時間我們才能發(fā)現(xiàn)某一運動是否均勻，否則我們就無法知道力學定律是否為真。于是，我們達到了一個循環(huán)論證。為了要知道均勻時間，我們必須知道力學定律，為了要知道力學定律，我們又必須知道均勻時間只有一條出路可以避免這種惡性循環(huán)，不把均勻時間問題視為一個認識問題，而是一個定義問題。我們不必問，天文學家的時間是均勻的這句話是否為真；我們必須說，天文時間定義著均勻時間。真正均勻的時間是沒有的；我們稱某種時間之為均勻的，只是為了要得到一個標準，我們可以拿其他種類的時間與之相參照。

這一分析就像我們在前面解決了空間測量問題一樣解決了時間計量問題，我們說過，空間的一致性是一個定義問題：同樣地，我們現(xiàn)在說，時間的一致性也是定義問題。我們不能直接比較后兩個時間間隔：我們只能夠稱他們?yōu)橄嗟鹊?。力學定律所提供的，只是均勻時間的一個同格定義而已。這個結論必然的結果是時間的相對性；用任何均勻性的定義都可以，所得的各種自然描述雖然在詞句上有所不同，都將是等值的描述。它們只是語言不同；它們的內(nèi)容是同樣的。

如果不用恒星的視自轉(zhuǎn)周來定義時間的計量，我們也可以用其他自然時計，如原子的轉(zhuǎn)動或光線的傳遞來定義。事實上，這些時間計量法確實都是不謀而合的。均勻性天文定義的實用意義的泉源就在這里，它所提供的定義是與一切自然時計所提供的定義一致的。這樣，自然時計為了計量時間而起的作用，就類似于在測量空間時的剛性物體所起作用了。

從時間的計量標準這一問題，我要轉(zhuǎn)而考慮有關數(shù)學家的另一個問題。那即是時間次序問題關于時間連續(xù)、關于較先和較后、或是說關于時間次序這個問題，是比時間計量問題更基本的。

我們怎么能知道一個事件先于另一個事件呢？如果我們有一只表，那么它的均勻時間流程包含著時間次序的陳述，但時間次序關系應該可為一個不依賴于時間計量的定義所獲致。對于一切可能的各種不同時間計量法，時間次序都應該是一樣的，因此，確定時間連續(xù)應該可以不必參考時計上的數(shù)字。

對我們判斷時間次序所用的方法略加考慮就可以看出，判斷時間連續(xù)中有一個基本標準是必不可少的原因必須先于結果；因此，一個事件如已知為另一事件的原因，前者必先于后者。例如，一個偵探如發(fā)現(xiàn)在一個隱秘處所有一筆用報紙包著的金銀財寶，他就知道，把這筆財寶包起來這件事不會在報紙上所印日期之前，因為印刷報紙是產(chǎn)生這一份報紙的原因。因此，時間次序關系可以化為因果關系。

在這里我們不必研究因果關系。在這里只需說，因果關系表達出一種“如果-那么”關系，這種關系可由同型事件的反復發(fā)生來檢驗。然而，我們必須說明的是，怎樣來判別原因和結果。說原因是兩個相關事件的較先的一個，對我們沒有什么幫助，因為我們想用因果次序來定義時間次序；因此我們必須擁有一個獨立的，能把原因從效果中區(qū)別出來的判斷標準。

對一些簡單的因果關系例子作一下研究，我們就可以知道，有一些自然過程是能清楚地區(qū)別原因和結果的。屬于這類過程的有攪混過程和與此相似的過程，這些過程是從有秩序狀態(tài)進行到無秩序狀態(tài)的。物理學家說到過一些不可逆過程。假想你手上有一段用電影攝影機拍攝的影片，你想知道它應該從那一頭卷起；你看見在有一格上是一杯加有奶油的咖啡，旁邊是一只空的奶油壺，在離那一格不遠的另一格上你看見是同一杯子里是一杯清咖啡，而那只奶油壺里則盛著奶油，這樣你就知道后一格攝于前一格之前，你就知道怎樣去卷這卷影片了。我們能把奶油摻在咖啡里，但不能把它們分離?；蚴怯幸粋€觀察者告訴你，他看見一所燒毀的房子的殘跡，另一個觀察者告訴你，他看見的那所房子是完好的，你就知道第二個人的觀察先于第一個觀察。燒毀過程是不可逆的，至于把房子照原樣重建起來的可能性則由于我們知道兩次觀察之間的間隔未出少數(shù)幾天之上這一事實而排除掉了，不可逆性和時間次序的關系可以用把電影片倒過來放映時我們看見的一系列圖象來說明。香煙愈燒愈長，或許多碎磁片從地上飛起飛到桌上而拼成完好的杯碟，等等古怪的情形就是我們根據(jù)不可逆物理過程作出關于時間次序的判斷的這一事實的證明。

因果關系建立著物理事件的一種順序秩序這一事實，是我們生活在其中的世界的基本特點之一。我們絕不可相信這個順序的存在是邏輯上必需的；我們滿可以想象一個世界，在其中因果性并不導致一個首尾一貫的較先和較后的秩序。在那樣一個世界里，過去和未來不是不可更改地互相分處的，而是可以在同一現(xiàn)在中碰頭的，那樣我們就可以碰到幾年之前的我們自己，并和他們談話。我們的世界不是這樣一種世界，而是通過以因果關系為基礎，被稱為時間的順序秩序容許有一個首尾一貫的秩序的，這只是一個經(jīng)驗事實。

時間秩序所反映的是宇宙的因果秩序時間連續(xù)定義有一個相對物，叫作同時性定義。我們把兩個之中沒有一個比另一個較先或較后的事件稱為同時的。當分處相隔遙遠兩地的事件相比較時，同時性問題會導致奇特的結果，這是一個經(jīng)過愛因斯坦的分析而著名的問題。

當我們要想知道遠處一個事件的發(fā)生時間時，我們可以使用能把事件發(fā)生的信息轉(zhuǎn)遞給我們的信號。但是，由于信號走完它的路程是需要一段時間的，那么信號到達我們所處地點的時刻是并不與我們所要確定的事件發(fā)生時間相一致的。通過聲音信號的使用，這個事實是為人熟知的。當我們聽見雷聲時，離它在遠處云里發(fā)生的時間已過去幾秒鐘了。閃電所產(chǎn)生的光線走得快得多，所以，看到閃光的那一時刻就實用目的來說可以說是與閃電在云端發(fā)生的時刻是一致的。然而，為了要作更精密的計量，用閃電所作的時間確定與用雷聲所作的時間確定是同型的，因此我們必須把光線經(jīng)云端傳到我們眼睛所需的一段時間考慮進去。

如果我們知道光速和所經(jīng)的距離，光線傳遞的時間很容易算出來。問題在于怎么計量光速。為了要計量出速度，我們必須從一個地點送出一道光線達到遠處的一個地點，觀察出發(fā)時間和到達時間，這樣來確定光線的傳遞時間，再把這段時間除以所經(jīng)長度，我們就獲得了速度。但是，要計量出發(fā)時間和到達時間，我們必需有兩個時計，因為這兩次計量是在兩個不同的空間地點上進行的，這兩個時計必需是互相對準的，或是說同化的，即是說，它們必須在同一時間有相同的讀數(shù)的。那就意味著我們必須能夠在相隔遙遠的兩點上確定同時性。我們作這樣的考慮已把我們引導到一個循環(huán)反復之中了：我們要想計量同時性，接著發(fā)現(xiàn)我們?yōu)榱艘鬟@種計量必須知道光的速度，接著我們又看出，為了要計量光速，我們必須先確知同時性。

如果我們能用一個時計就計量出光速，那就可以找到出路了。例如，我們?nèi)绻槐卦谙喔暨b遠的地點計量光線信號到達的時刻，而用一個鏡面把光線反射回來而回到出發(fā)地點來。那樣，光線來回所耗的時間間隔可以單用一個時計就可以計量出來了。為了要確定光速，那就只需把來回的時間除以距離的兩倍就行。這個辦法，初初一看雖然好像大有希望，但仔細一考慮就發(fā)現(xiàn)它的不實用了。我們怎么知道光線回來的速度與發(fā)出去的速度是一樣的呢？除非我們知道這一相等性，否則上述辦法算出的數(shù)字就是無意義的。但是，為了要比較來去兩個行程的速度，我們又必須分別計量每一行程的速度。這樣的計量又需兩個時計，我們就又回到原來的困難上來了。

為了要確定同時性，也可以設法采用運送時計的辦法。兩個時計互相對準，當它們同處一個地點時并且是始終呈現(xiàn)相同讀數(shù)的；然后就把一個時計運送到遙遠的地點去。但是，我們怎么知道那個被運送出去的時計在運送中是否仍是同步的呢，為了要檢驗時計的同步性，我們就得使用光線信號，這樣又達到了跟前面一樣的問題。把那個時計送回原來的空間地點并不能幫助我們，因為我們這樣而獲得的結果只是對于兩個時計互相接近的情況下而言的。這個問題就像前面討論過的，比較分處兩個不同地點的測量桿問題一樣。

此外，運送時計的問題甚至要比運送測量桿的問題更復雜一些；按照愛因斯坦的理論，打了來回之后的那個時計如果與留在原地未動的時計比較，應該慢一些。這個結果有重要的邏輯意義，它適用于一切時計，包括原子在內(nèi)，原子是在它們發(fā)射出來的光輻射的顏色中表示它們的轉(zhuǎn)動的周期的；用迅速運動的原子進行實驗已證實了愛因斯坦所預言的旋轉(zhuǎn)漸緩。由于有生命的機體是由原子組成的，原子行為中任何變緩必定會表現(xiàn)為有機體必然要遭受的衰老過程的變級。由此得出，以巨大速度旅行的活人就會變緩衰老過程、例如，孿生兄弟中之一去作宇宙旅行，他回來后就要比另一個年青些（雖然他也仍舊要比他出發(fā)時老一些）。這個結論是根據(jù)愛因斯坦的得到很好地證實了的理論的無可置疑的邏輯而推導出來的。

回到同時性問題上來，我們就達到這樣一個結論：經(jīng)過運送的時計是不能用來定義“同時發(fā)生”關系的。我們必須另找適宜的信號來完成這個定義。光線信號雖然快，但也有一個極限速度，那么，如果我們能使用比光更快的信號，那就對我們大有幫助了。當我們想測量音速時，我們可以使用光線信號來比較時間，因為光速比音速大那么多：這樣而造成的誤差，在數(shù)字上說是太小了，因此可以不予考慮。同樣地，如果我們有一種比光線快一百萬倍的信號，我們也可以不考慮較快的那種信號的傳遞時間而以足夠的精確度測量光速了。這里是愛因斯坦物理學與經(jīng)典物理學另一個不同之點。按照愛因斯坦的說法，比光更快的信號是沒有的。這不只意味著我們不知道有更快的信號；在愛因斯坦那里，光是最快的信號這個陳述是一條自然定律，可以稱為光速的極限性原理。愛因斯坦已得出關于這條原理的結論性證據(jù)，因此我們沒有什么理由去懷疑它，一如我們不必去懷疑能量守恒原理一樣。

與前面對時間連續(xù)的分析結合起來，愛因斯坦的這個原理導出一些奇怪的關于同時性的結果，假設一個光信號在十二點鐘發(fā)向火星，然后從那里反射回來；比方說它在二十分鐘后回來吧。我們應該把信號到達火星的時刻算在什么時候呢？如果把這個時間算為12點10分，這就意味著光速的來回是相等的；但是，我們看到，我們沒有理由假定這種相等。事實上，從12點到12點20分之間這個時間間隔中任何一個時間都可以說是光信號到達火星的時刻。例如，我們可以說信號在12點5分到達；那么它的去程耗費五分鐘，回程為十五分鐘。我們對于時間連續(xù)的定義所排斥的是說光線在11點55分到達火星站，因為在這樣的時間指定上，光線要在它出發(fā)時間之前到達，效果要先于原因了。但是，只要我們把到達火星的時間選取12點到12點20分之間的一個數(shù)值，對于時間次序的定義總是可以得到滿足的。這一時間間隔中發(fā)生于我們所處地點的任何事件是排除于與火星上光信號到達時間所發(fā)生的事件有任何因果交互關系之外的。因為同時性意味著排除可能的因果交互關系，所以，這一時間間隔中發(fā)生于我們所處地點的任何事件可說是與光信號到達火星是同時的。這即是愛因斯坦所說的同時性的相對性。

我們可以看出，時間次序的因果定義可以導致一種對于發(fā)生于遠隔兩地的事件的時間比較的非決定性。所以如此，乃是由于光速的極限性質(zhì)。絕對時間，即無歧義同時性，可以存在于一個沒有信號速度上限的世界里。但在我們的世界里，由于因果傳遞速度是有極限的，因此也就沒有絕對的同時性。時間的因果理論說明時間連續(xù)和同時性的意義的方式就是這樣：這個說明可以適用于經(jīng)典物理學世界和我們的世界，在這個世界里因果傳遞速度有一個上限，同時性不是無歧義地定義的。

由于這些結果，時間問題的解答和空間問題的解答差不多。

時間像空間一樣，既不是一種理想的柏拉圖式的存在那樣需要由洞見來感知的東西，也不是康德所相信的那樣，是人類觀察者加在世界上的一種主觀形式。人類思維是能夠想象不同的時間次序體系的，在這些體系中經(jīng)典物理學時間就是一種，愛因斯坦時間及其因果傳遞速度極限是另一種。在這許多的可能體系中，選擇對我們世界有效的時間次序是一個經(jīng)驗問題。時間次序表述著我們生活于其中的宇宙的一種普遍屬性；時間是實在的，就像說空間是實在的意義一樣，我們關于時間的知識并不是先天的，而是觀察的結果。實際的時間結構的決定乃是物理學的一章?！@就是時間哲學的結論。

同時性的相對性看來雖然是那么驚人，但這是合乎邏輯的，而且可以得到視覺化的。在一個因果傳遞的限制顯得更為明顯的世界里，愛因斯坦的見解的奇特性就會消失。如果有一天，與火星聯(lián)系的無線電話建立起來以后，我們用電話去問一個問題得等候20分鐘才能接到回答，我們就會習慣這種同時性的相對性了，我們就會把它看作為是十分自然的，一如我們今天把地球表面劃分許多時區(qū)的不同標準時間之被視為十分合乎條理的一樣。如果有一天，行星間的旅行實現(xiàn)了，從長途旅行中回來的人的衰老過程已經(jīng)變慢，年齡要比本來與他同歲的人小了，也將顯得是司空見慣的了?？茖W家由抽象推理所獲得的，最初接觸時需要人放棄傳統(tǒng)信仰的那些結論，對于以后的世代常常會成為熟悉的習慣的。

科學分析導致對時間做出與日常生活中的時間經(jīng)驗大為不同的解釋。我們感到是一種時間流程的東西，被揭示出原來就是構成這個世界的因果過程，這種因果流的結構已被發(fā)現(xiàn)，它的性質(zhì)要比在直接觀察中看到的時間所顯示的復雜得多。有一天，征服了行星間距離之后，日常生活中的時間將變得像今天理論科學中的時間一樣復雜。不錯，為了進行邏輯分析，科學需與感性內(nèi)容分離開。但是，科學正在創(chuàng)造新的可能，這些可能有一天也會使我們經(jīng)驗到以前從未經(jīng)驗到的感情。

H.賴欣巴哈｜著，選自《科學哲學的興起》

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