[论文解读] A critical analysis of the concept of time in physics

Claudio Borghi|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2018

Relativity and Gravitational Theory参考文献 17被引用 7

一句话总结

本文批判性地审视了物理学中的时间概念，认为只有某些真实时钟——尤其是原子钟——能准确测量与广义相对论一致的时长，而放射性时钟和生物钟可能无法做到这一点。文章通过突出相对论预测与实际时钟行为之间的不一致，特别是基于热力学时间假说，挑战了相对论时间的普遍性，并得出结论：物理时间无法被简化为单一的相对论框架，因此必须基于实证的时钟行为对物理学中的时间进行基础性重思。

ABSTRACT

This paper puts forward a broad critical analysis of the concept of physical time. Clock effect is conceived as a consequence of the variation of the gravitational or pseudo gravitational potential, and it is remarked that only some real clocks measure durations in agreement with the predictions of general relativity. A probable disagreement is expected between radioactive and atomic clocks, in the light of Rovelli's thermal time hypothesis. According to the recent contributions by Rugh and Zinkernagel, the relationship between time and clocks is investigated in order to found on a physical basis the concept of cosmic time. In the conclusive section is argued the impossibility of reducing thermal time to relativistic time.

研究动机与目标

• 批判性评估牛顿物理与爱因斯坦物理中时间的操作定义。
• 区分时间膨胀与钟差效应，强调真实时钟在测量物理时长中的作用。
• 研究在引力场或等效引力场中，原子钟与放射性钟之间潜在的不相容性。
• 评估罗韦利热力学时间假说对相对论时间与热力学时间等价性的影响。
• 主张基于实证时钟行为而非抽象理论模型，对物理学中的时间进行基础性重思。

提出的方法

• 分析牛顿与爱因斯坦框架中时间的操作定义，重点关注同步程序与观察者依赖性。
• 考察钟面假说及其在相对论语境下不同钟类型等价性的影响。
• 研究真实时钟——尤其是放射性钟与原子钟——在不同引力或等效引力势下的行为。
• 将热力学时间假说（罗韦利）应用于质疑热力学钟是否能与相对论时间一致地测量时间。
• 评估在狭义相对论与广义相对论中，时钟同步的传递性，特别是在弯曲时空中的情况。
• 运用认识论分析，区分由真实时钟测量的物理时间与时空等数学构造。

实验结果

研究问题

• RQ1 真实时钟（如原子钟与放射性钟）在多大程度上能与广义相对论预测一致地测量时长？
• RQ2 通过不可逆内部过程运行的热力学钟，能否被视为与相对论钟在测量物理时间方面等价？
• RQ3 为何钟差效应依赖于引力或等效引力势？这对时间的本质意味着什么？
• RQ4 是否可能将热力学时间还原为相对论时间，还是二者本质上是不同的物理概念？
• RQ5 操作定义的宇宙时间在多大程度上依赖于物理时钟的选择及其行为？

主要发现

• 只有有限类别的真实时钟——尤其是原子钟——能与广义相对论预测一致地测量时长，而放射性钟与生物钟可能无法做到。
• 钟差效应被证明是引力或等效引力势变化的结果，而非所有计时设备的普遍特征。
• 由于热力学时间假说，预计放射性钟与原子钟之间会出现可能的不一致，该假说表明时间并非由时空几何普遍定义。
• 在广义相对论中，时钟同步的传递性失效，这破坏了相对论框架中普遍时间的假设。
• 沿世界线测量的固有时并不包含关于时钟或物理系统内部演化速率的信息，表明几何时间与物理时间之间存在根本性鸿沟。
• 本文结论认为，物理时间无法被简化为单一理论结构，必须基于实证时钟行为对物理学中的时间进行基础性重思。