时间往事:过去,现在和未来

1967年10月,全世界的科学家齐聚巴黎,参加国际计量大会。10月13日,与会者一致同意更改“时间”的定义。在人类漫长的历史长河中,人们都是根据天体的运动规律来计算时间的,日出而作,日落而息,一天就过去了。后来,我们逐渐发明了功能更强大的时间测量工具,其中有追踪时间流逝的日冕、圭表和机械钟。依赖于古埃及人和苏美尔人的十二进制传统,我们开始将时间分为更小的单位——小时、分钟、秒。但是,大约在60年前开始,随着计时工具精度的提高,我们开始发现天体节拍器的瑕疵,事实证明这些天体并不如我们想象中的那么“守时”。这也是1967年国际计量大会要解决的问题。想要将时间测量的精确度提升几个数量级,我们需要将测量依据从这些巨大天体换成最微小的实体。时间测量的革命,将告诉我们穿越过去和未来的时间故事:我们来自哪里?我们未来将到哪里去?

时间革命1:伽利略的摆钟和打卡制度的诞生

意大利著名旅游景点比萨斜塔,已经在比萨大教堂旁边耸立了数千年。这两个建筑都在科学进步史上留下了浓墨重彩的一笔,科学家伽利略在比萨斜塔进行的自由落体实验,推翻了几千年前亚里士多德的物体下落速度与物体重量成正比的观点。比萨大教堂的科学故事也同样与伽利略有关,1583年,19岁的伽利略坐在比萨大教堂长椅上胡思乱想,他注意到教堂拱顶上有个吊灯在来回摇晃,而且来回摇摆的时间似乎总是固定的。伽利略通过他能找到的唯一值得信赖的钟表——自己的脉搏证实了这个想法。来回摇摆的吊灯在年轻的伽利略脑海中播下了创意的种子,在接下来的20年,伽利略成了一名数学教授,使用天文望远镜研究天体的运行规律,并且基本创立了现代科学。摇摆的吊灯在伽利略脑海中仍然挥之不去,他研究发现,物体摇摆所需的时间和摇摆的幅度大小及质量毫无关系,仅仅取决于物体的摆长。也就是说,无论摆幅大小,持续的时间都相同。

持续相同的时间在伽利略的时代显得无比神奇。这一时期,最先进的计时技术也只能精确到天数。16世纪的人们根本不在意计时是否精确,因为生活节奏缓慢,人们不需要像今天这样争分夺秒,忙忙碌碌。但航海业对计时的精确性要求极高,水手们得通过钟表记录已知地点和所在地点的时间差来计算在海上的经度:每差4分钟,换算成经度就是相差1度,也就是赤道上的68英里,从而获知船在海上的位置。问题是当时计时工具,由于技术方面的原因,每天不是慢20分钟,就是快20分钟,导致水手们测算经度的误差极大。欧洲各国开始提供赏金,鼓励人们想办法解决计时精确性的问题,让经度的确定更加准确。西班牙过完菲利普三世就曾经设立著名的“经度”奖,提供价值超过100万美元的奖金。也就是说,如果你带着今天随处可见的廉价电子表穿越回16世纪,就可以解决世界性难题,并且成为百万户富翁。由此可见,科技的发展速度远远超出人类的想象。

计时精确的需求如此急迫,解决问题的报酬又如此丰厚,这使伽利略想起了念念不忘的吊灯和它持续的“相同时间”,于是他开始把目标转向摆钟。经过58年的酝酿,他关于摆钟记录时间的奇思妙想逐渐成型。这一伟大创意来源于多种学科和需求的交叉点:比萨大教堂吊灯的摆动规律,伽利略对天体运动规律的研究,大航海时代的到来及其对精准计时的需求。在儿子的帮助下,伽利略设计了世界上第一个机械摆钟。到17世纪末,机械摆钟在整个欧洲已经变得随处可见,甚至成为了经济富裕和时髦的象征。如果某个人在社会经济中发生了阶级跃迁,最明显的信号是他有了一块怀表。但机械摆钟的意义远大于此,它在一周内的计时误差仅仅在一分钟左右,精确性是之前钟表的100倍。并且,机械摆钟让我们开始有了精确的时间观念,也引发了一系列的社会变革。


  伽利略摆钟

当我们提到工业革命时,首先映入脑海的是白色的蒸汽和轰鸣的机器声。但是,如果你静下心来仔细聆听,你会发现,在喧闹的工厂中还有一种更加柔和、有序的滴答声无处不在,那就是机械摆钟静静地为我们计时。如果没有精确的计时技术,工业革命还会发生吗?答案是肯定的,缺乏精确计时技术,工业革命仍旧会发生,这是历史的潮流,不可阻挡,但发生的时间可能会晚一些。因为计时技术的发展和积累给工业革命提供了温床,让其茁壮成长。计时精确的钟表让水手们更加容易地确定海上经度,极大地降低了全球航运网络的风险。这就为最初的资本家和工厂主提供了源源不断的原材料,并帮助他们打开了海外市场,促进了资本主义经济的极大发展,给工业革命的发生提供坚实的经济基础。在17世纪末,英格兰的工匠们掌握了精细的手表制造工艺,能制造出质量最好且准时的手表,产品远销海外。由此完成了工业革命所需的细工具的技术储备。就像穆拉诺岛的玻璃眼镜商的玻璃制造技术催生了望远镜和显微镜一样。钟表匠成为了引领工业管理学诞生和发展的先驱。

工业革命需要钟表来重新调整新的工作管理制度。在持续了几千年的农耕经济和封建经济中,时间单位是由完成一项工作所需的时间来考量的,一天并未分成抽象的数学单位,工匠们也不是按照小时计算薪酬,而是按件计酬,也就是按生产产品的件数来计算薪酬。按件计酬导致工匠们的日常工作安排十分混乱,毫无时间观念,生产效率十分低下。而在工业革命时代,这种田园式的、散漫的工作节奏显然是行不通的,资本家需要将上千个工人组织起来,统一行动,以跟上工厂的生产节奏,提高生产效率。因此,只有重塑时间观念,才能提高切实可行的生产力。陶器制造商乔赛亚·韦奇伍德是全世界第一个引入工作“打卡”制度的资本家,现代社会普遍采用的小时工资制度,最初就是来源于这次时间方案改革。今天,我们已经适应了工作日严格的时间方案,它似乎成了我们的第二天性。但在当时,这种新的时间方案给人们的观念带来了强烈的冲击,也激起了许多人的反对。19世纪初,许多浪漫艺术家拒不按照钟表来生活,他们很晚睡觉,在城市里漫无目的地游荡,就像二战后美国的嬉皮士一样。

当然,在19世纪初,并不是每个人都拥有钟表,能够享受精准计时的便利,便携的怀表更是一种奢侈品。直到19中期,美国马塞诸塞州一名铜匠的儿子阿伦·丹尼森开始使用新流程来制造便携手表。在当时手表的制作工艺十分复杂,包含一百多道工序:制作极其微小的螺丝钉、刻上螺纹、雕刻表壳精美的花纹等等。丹尼森开始采用机器批量生产的方式,摒弃了复杂繁琐的工序和钟表上华丽的珠宝饰品,制造出了更便宜、更大众化的第一款手表,售价是当时普通怀表的十分之一,他将手表以《独立宣言》的签署者“威廉·埃勒里”命名。丹尼森的手表推出后大受欢迎,超过160000块手表销售一空,他真正将钟表由奢侈品变为必需品,让手表普及起来,推动了人们时间观念的塑造和时间的民主化。

时间革命2:时间标准化——格林尼治时间

丹尼森的宏大梦想是让每个人都能拥有一块手表,他的手表在美国的城镇和乡村迅速普及,计时虽然十分精确,但是走的时间都不一样。在当时,美国的每个城镇和乡村都有自己的生活节奏,当地的钟表时间都与太阳在天空中的位置同步,导致全美国有几千个各不相同的标准时间。丹尼森的手表让钟表时间民主化了,但尚未标准化。对于这种不统一,刚开始无人在意,因为对生活的影响比较小。但随着科技的发展,人员和信息开始在各地快速流动,电报和铁路让钟表时间不统一的问题浮出了水面,就像几个世纪之前,印刷术的产生暴露了读者对眼镜的需求一样。

火车的移动速度远超过太阳在空中的移动速度,因此,如果你在19世纪坐火车旅行,每隔一小时,你就需要将手表调快或调慢4分钟以适应当地的时间,单单只调时间就够你忙得了。19世纪40年代,英国解决了这一问题,通过电报同步铁路钟表,将全国时间统一为格林尼治标准时间(GMT)。但美国比英国大很多,统一为一个时区不太现实。1869年,超过10万英里的铁路将美国的8000个城镇联系起来,在这种情况下,采用标准化时间的呼声越来越高。直到1883年,铁路工程师威廉·F·艾伦承担起了这份责任,他提议将50个各不相同的铁路时间改为4个时区:东部、中部、山地和太平洋时区。艾伦说服了铁路老板们,花了9个月的时间终于让政府和民众接受了他的时区划分。铁路时间终于统一了标准,极大提升了火车运营的效率。仅仅一年之后,格林尼治时间被确定为国际标准时钟,全球被划分为不同的时区。从这一年开始,世界开始摆脱太阳系天体运行规律的束缚,人们不再通过查询太阳所在的位置确定时间。电报从格林尼治天文台将标准时间传送到世界各地,将全球各地的钟表保持在同步状态。

时间革命3:重新定义时间——石英钟和原子钟

时间测量革命的奇特性在于,它是许多学科协同创新的产物,日冕运用到了天文学知识,摆钟来源于动力学原理的应用。无论时间测量工具变得如何先进,有一条规律是始终保持不变的:持续相同时间,天体的运行和比萨大教堂吊灯的摆动都是如此,时间的下一次革命也将依赖于此。19世纪80年代,居里夫妇最先发现石英晶体具有奇特的物理特性:受到外力的作用,这些晶体能以极其稳定的频率震动,通电时这种现象更加明显,也就是后来所知的“压电效应”。


具有压电效应特性的石英

在20世纪20年代,石英晶体在相等时间里伸缩的非凡特性被无线电工程师们加以利用,让无线电传输更加稳定。但下一场时间测量革命开始于石英钟的诞生,这项伟大的发明仍然来自于贝尔实验室。1928年,贝尔实验室的W·A·马里森建造了第一块通过石英晶体规律性振动来计时的钟表。与摆钟相比,石英钟的误差仅为千分之一秒,让时间测量的精确度获得了极大的提升。马里森发明石英钟后的几十年,石英钟已普遍成为科学和工业的计时设备,等到了70年代,由于技术的进步,第一款石英腕表开始在大众市场上出现。直到今天,我们身边的很多家用设备里都有石英钟的身影:微波炉、闹钟、腕表和汽车时钟等等。但石英钟真正意想不到的应用来自于与时间测量关系不大的其他领域。

随着石英钟一同出现的新的可能性是计算,计算机芯片是时间规律的主人。芯片中的微处理器每秒钟进行几十亿次计算,并和其他电路板上的处理器交换信息,这些操作全都是由一个石英制造的主时钟来协调完成的。一台现代计算机包含复杂的功能模块:数据的二进制存储原理、电路板的精细焊接工艺、可视化的视窗交互界面设计等等,但是,如果没有石英钟精确到微秒的计时,现代计算机就会发生混乱,就像许多士兵没有指挥官的管理,只能是一盘散沙。

要想准确计时,最终在于找到以稳定的节奏振动的事物,比如:太阳,圣坛吊灯和石英晶体。20世纪初,波尔和海森堡等科学家率先发现原子,核电站、原子弹和氢弹因此诞生。但是,原子科学还揭示了一项不知名但同样意义深远的发现,即原子是人类目前所知的最稳定的振动器。这是波尔在研究围绕铯原子旋转的电子时发现的,铯原子中的电子不受任何阻力的干扰,他们旋转节奏的稳定性比地球自转高出了几个数量级,这是绝佳的计时材料!20世纪50年代,科学家开始制造原子钟,从而确定了新的时间标准。现在,利用原子钟,我能够测量到纳秒级别,精确性是石英钟微秒的1000倍。这次测量时间技术的飞跃,促使1967年召开的国际计量大会宣布,重新定义时间的时候到来了。一天不再是地球完成一次自传的时间,而是全世界27个同步原子钟走完的86400个原子秒。


精确到纳秒的原子钟

旧时的计时器并未完全消失,原子钟常常被用来校正石英计时所产生的随机偏差。由于原子时间的兴起,人们的日常生活已经发生急剧的变化,航空旅行、电话网络、金融市场都依赖于精确到纳米的原子钟,量子对冲基金的高频交易就是通过计算机在纳秒级别的时间内完成的。全球定位系统也不例外,通过比较3颗卫星上原子钟记录的时间来确定目标所在的位置,这跟之前水手们通过钟表确定海上经度的方法有异曲同工之妙。计时技术的每一次进步都会引起我们在地理知识上的进步,从轮船、铁路到全球卫星定位系统,均是如此。30年前,你低头看手表或地图来确定时间和位置,现在你看一眼手机就知道一切。手机之所以能显示时间、位置和其他信息,是因为它身处一张巨大的人类智慧网络,这个网络包括:铯原子内部电子运动方式的知识,卫星通信原理,火箭动力学知识,二氧化硅晶体的压电效应,以及微电子学和网络科学知识。但我们拿起手机时,这张凝聚着人类几千年智慧结晶的隐形网络就开始发挥作用。从伽利略在比萨大教堂看到圣坛吊灯的摆动开始,时间测量已经走得太远了。

时间革命4:穿越过去和未来的时间故事——碳元素年代测定法和万年钟

原子钟让我们来到纳秒数量级,似乎我们把一天的时间分解的越来越小了,但是,原子时间也能朝另一个完全相反的方向移动,让事物慢下来,用亿万年来衡量,而不是以纳秒来计算。19世纪,居里夫人发现了原子的放射性,她因此成为第一个获得诺贝尔奖的女性。她的研究引起了丈夫皮埃尔·居里的注意,他也开始投入对放射性的研究。他们共同研究发现放射性元素以恒定的速率进行衰变,比如,碳14的半衰期为5730年,也就是说将一些碳放置5730年,你会发现它减少了一半。不光是碳元素,所有的元素都有自己的半衰期。甚至我们可以将这个概念推广到社会领域,任何存在的事物都有自己的“半衰期”,我们要多去做那些“半衰期”更长的高价值事物,比如:阅读、学习、写作等等,才能获得成长。

放射性元素的半衰期又是新的“持续相同时间”来源,我们可以据此研发出新的时间测量技术。直到20世纪40年代,以碳元素的半衰期为时间单位的碳元素年代测定法才趋于成熟。绝大多数钟表测定的是当前的时间,但放射性碳钟测定的是过去的时间,它每走一个刻度就表示5000年已经过去,历经沧海桑田。多亏有了碳元素测定法,我们才知道地球的年龄并不是《圣经》中记载的6000年,而是45.5亿年。碳元素测定法就像是一部时间机器,让我们穿越到史前时代,探访我们的祖先生活过的岩洞和他们留下的痕迹,阅读由原子物理学写成的地球史诗。

钟表不仅要记录过去和当下,更要记录未来。在美国东部内华达州的山脉的土壤中埋藏着一部“万年钟”,这个特制钟表测量时间的单位是文明,而不是秒。世纪的指针每年走一次,每一百年前进一格。根据设计,“万年钟”至少会计时一万年,大致相当于迄今为止人类文明从起源发展到现在的时间长度。它运用的不是像石英钟和原子钟那样分解时间的规律,而是一种以一个世纪或一千年的时间长度来运行的规律。这种规律旨在让人类避免短期思考,迫使人类以巨大的时间尺度来考量自己的行为和后果。正如科技思想家凯文·凯利所言,“万年钟让我们思考,作为后人的祖先,现在的我们表现合格吗?”


美国东部内华达州的山脉中的万年钟

这是原子时代带给我们的关于时间的悖论。我们用精确到纳秒的原子钟指导自己的生活,将一天分割成极其短暂的瞬间。另一方面,我们也有能力利用放射性碳钟窥探千百万年前的地球往事,甚至以跨越数万年的宏大视角审视人类的行为和后果。从伽利略的圣坛吊灯到波尔的铯原子,再到内华达州山脉里的万年钟,我们的时间线在两个方向上取得了巨大的扩展:一个方向是微秒,另一个是千年。精准地聚焦于更短的时间,还是现在开始为未来做出跨越千年的长远规划?在后人眼中,我们是唯利是图的高频交易商,还是负责任的祖先?时间会给出它的答案。

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