第二章 时间、空间和运动

时间的测量
　　
　　这一章主要是一些预备性的知识，我们先从最浅近的问题讲起。物理学是一门实验科学，物理规律都是从实验而且大都是从定量的实验中总结出来的。因此，在研究空间和时间的物理问题时，首先应当了解时间和空间是怎样量度的。

　　说到时间的测量，自然会想到钟和表。不过，钟和表并不是测量时间的唯一工具。

　　1583年，有一位托斯卡纳的青年，他对比萨大教堂里的吊灯摆动发生了兴趣，准备研究一下摆的规律。可是，当时还没有钟。更没有秒表，吊灯摆动很快，怎样才能测定这种短暂的时间呢？这位年轻的实验家想出了一种办法。他一手按着自己的脉搏，数着跳动的次数，一边看着灯的运动。结果发现了一条规律：摆幅尽管可大可小，而来回一次摆动中脉搏跳动的次数却是一样的，也就是说摆的周期与摆幅无关。这个有名的测量可以说是第一个科学物理学的实验。这位聪明的实验家就是物理学的奠基人伽利
略。

　　伽利略的方法表明了测量时间的关键是什么。从原则上说，任何具有重复性的过程都可以当作一种计时的钟。自然界里有许多重复性过程，其中有一些我们早就把它们当作计时的标准。比如太阳升没表示天；四季循环则为年；月亮的盈亏是农历的月。这些都是大家熟悉的。其它各种循环过程，诸如双星的旋转、人体的脉搏、吊灯的摆动、分子的振动等等也都可以作为计时的标准。总之，世界上千千万万种不同的周期运动都可以作为“钟”。当然，钟有好坏，比较两个人的脉搏，就会发现它们之间经常
有明显的快慢波动，因之，脉搏不是一种好钟，它不够稳定。如果比较一下两个单摆的周期，就要稳定多了。脉冲里的脉冲周期稳定性更要好得多。在1967年之前，地球自转被认为是最好的测时标准。1967年以后，采用更稳定的“钟”作为标准．即以铯原子133Cs的基态超精细结构间的微波辐射周期T作为时间单位，T与1秒之间的关系是1秒=9,192,631,770T。

长度的测量

　　测量长度的基本工具是尺。对于任何两点连线的长度，测量方法就是从一点出发，一尺一尺地量到另一点为止。唐代的天文学家张遂（一行）为了测定于午线上一度的祖离，用拉绳方法在河南省的开封、滑县、上荣等地之间一段一段地测量。这可能是人类史上严格按照用尺测长的最原始规定所进行的最大规模的测量了。

　　尺也有许多种。有一定长度的东西都可以当作尺。人体的一部分就可以作为标准，英文中的英尺和脚是同一个字（foot），原因就是这个单位当初是以脚长规定的。和时间测量问题一样，应该选择一种好尺作为统一的标准。用各种材料制成的尺，或多或少都会受环境因素的影响，不适于作为标准。因此，近来已经放弃用巴黎的米尺原型作为国际标准，而改用原子的发光过程，即以氢原子86Kr的2P10-5d5跃迁所发射的光的波长λ为标准单位。1米的长度与l的关系是1米=1,650,763.73λ。
　　
　　在讨论太阳系中的问题时，可以用地球与太阳之间的平均距离作为单位，这把“尺”的长度叫做一个天文单位(A.U．)，至于恒星间的距离，则常用光年来表示。一光年是光传播一年所走过的距离，大约是 9.5 x 1015米。例如，离我们最近的一颗恒星比邻星，大约有4光年之远。这个数据不仅告诉我们距离的遥远，而且也告诉我们今天地面上看到的比邻星，是它在4年之前的情况，因为4年前从那里发出的光，今天恰好到达地球。这就是说，当我们观看遥远的星体时，只要你能看得越远。你也就看到了时间上更早的情况。这个事实，已经开始显示出时间与空间往往是有联系的。

事件和世界线

　　规定了时间和长度的测量法，就可以研究物体的运动了。

　　所谓运动。就宏观物理来说，就是一系列由时间和空间所标志的事件。一张列车时刻表，写满了火车顺序到达的一系列站名及时刻。每一个站名和到达的时刻，就是一个事件。