時間的範圍有多大？_風聞

上下四方曰宇,古往今來曰宙。

請隨我們進入“時間”的故事。

時間的範圍有多大？

大到超乎你的想象。自從宇宙開始就有了時間，它會一直持續到宇宙的終點。時間的範圍又極小，小到不能直接測量。因為一旦測量就要影響它的特性，也就是量子力學裏的測不準原理。

自然界是形形色色的，每個事件都有其持續的時間，不同事件持續時間的跨度差別極大。有些壽命極長，如天體的年齡以數百億年計，組成原子的質子壽命更長到甚至超過1028秒；有些壽命則極短，例如Z粒子的壽命只有10-25秒。

圖1. 目前已知的時間範圍（圖源：作者）

“時間”的範圍非常非常大，最大值和最小值之間相差超過1053倍。1053有多大？從以下兩個例子就可以看出來：

一粒米只有1毫米大小，1053粒米放在一起，組成的球比太陽系都要大！有成語説輕如鴻毛，鴻毛再輕也有質量，如果鴻毛的質量0.001克，1053根鴻毛集中在一起，不但比地球重的多，甚至比1億億個太陽還要重！從這些例子裏，對最大時間和最小時間的差別，可以窺知一二。

圖2. 極大和極小的差別。1053粒米集中在一起比太陽系都大（圖源：作者）

時間如何測量？

這麼大的時間和如此小的時間是怎麼測量出來的呢？科學家有科學家的辦法。

測量天體的年齡，先測量天體能量的損耗速度和該天體的質量，然後根據質量和能量轉換關係估算天體的壽命。這和吃餃子有點象，一盤10個餃子，一分鐘吃一個，我們只要數一下剩幾個就知道過了幾分鐘，天文學家可以測量數百萬年到數百億年之間的時間間隔。

圖3. 如果按1分鐘吃1個餃子計算，吃完一盤餃子需要10分鐘（圖源：作者）

測量地球的年齡、岩石的形成時間，一般採用放射性元素衰變法，並由此形成了一個專門的學科——地質紀年學。放射性元素的衰變速度是恆定的，在岩石中測量放射性元素已經衰變的質量和沒有衰變的質量，兩者相比就可以確定岩石的年齡。用這種方法估算出地球年齡大概是45億年。

測量古生物的時代，利用的是古生物的生理節律。例如，古動物生活時期所處環境影響到古動物的生理特徵，這些生理特徵會影響到古動物的生長節律，也就會在骨骼、貝殼等的外部形態和內部結構上鑄成各種花紋和圖樣，這些花紋和圖樣是古生物生理節律的記錄。當研究了古生物化石上反映的生理節律以後，對照現代同一生物的生理節律，並與現代計時方法比較，便能推斷古生物時代的時間記錄，這就是古生物時鐘。古生物時鐘證實了地球速率長期變慢的論斷。研究這種時間測量方法的科學是古生物節律學。

圖4. 化石是現代人讀取古代時間的鐘表（圖源：作者）

日、月、年、世紀的測量屬於天文學歷法的範疇。曆法實質上是根據地球繞日公轉週期和地球繞軸自轉週期來測量時間的，這兩種運動反映了地球上四季和晝夜的交替，其規律與人類活動密切相關。但由於這兩種運動沒有成整倍數關係，如何照顧四季和晝夜這兩種現象，便構成了編制曆法的基本任務

現代時間測量，並不是指上述的廣義時間測量，而是指小於天的時間間隔測量，對於一些專業天文台和物理實驗室，時間測量的概念是秒以下時間間隔的測量。目前，這些實驗室能直接測量的最高精度大約在飛秒量級。

圖5. 年輪也是一種測量時間的鐘表（圖源：作者）

更小的時間是粒子的壽命，指粒子從產生到衰變為止平均的存在時間。對於長壽命粒子，可以通過粒子在雲室中運動軌跡的長度確定其壽命。對於壽命小於10-20的短壽命粒子，粒子的能量（質量）有一個不確定度的範圍，這個範圍稱為衰變寬度，衰變寬度與粒子的壽命成反比，測量粒子的能量（質量）分佈就可以推算粒子的壽命。