新浪科技訊 北京時間5月10日消息,，據(jù)國外媒體報道,，關(guān)于宇宙，我們可以提出許多無比宏大的問題,。這些問題直擊“現(xiàn)實究竟是什么”的核心,，在歷史上曾引發(fā)無數(shù)人苦思冥想。例如,，“宇宙是什么,？”、“宇宙有多大,？”、“宇宙是永恒存在的,、還是突然出現(xiàn)的呢,？如果是后一種情況，那它是何時出現(xiàn)的,？”這些都曾是最令人費解的哲學(xué)問題,，但就在過去100年間，我們已經(jīng)找到了確切,、科學(xué)的答案,。我們已經(jīng)知道了宇宙是什么，知道了可觀測宇宙的直徑約為920億光年,，也知道了我們所知的宇宙開始于138億年前,，并且以上數(shù)值的不確定性只有1%左右。
但無論是對時間還是距離的衡量,，我們使用的都是以地球為中心的單位,，比如“年”和“光年”。有沒有一種更加客觀,、更加通用的衡量方式呢,？答案當(dāng)然是“有”。就像天文學(xué)家杰瑞·貝爾所寫的那樣：
“為何對宇宙的計算全都要用到‘年’這個單位呢,？在我看來,，‘年’是個很狹義的概念。畢竟,，‘年’存在的基礎(chǔ)（即恒星）出現(xiàn)至今也不過幾十億年,，僅占宇宙當(dāng)前年齡的三分之一。就連‘光年’這個關(guān)鍵概念也要與這種狹義的測量單位捆綁在一起?！?/p>
這幾點都說得很好,，值得我們在此基礎(chǔ)上進(jìn)行延伸和思考、尋找替代方案,。首先,，我們要了解測量宇宙時間背后涉及到哪些科學(xué)原理。
雖然我們可以觀察到成千上萬光年,、甚至數(shù)億光年之外的宇宙,，但以地球上的“年”來計算宇宙年齡、以“光年”衡量宇宙距離仍是一種“地心說”的思維,。這真的是我們唯一的,、甚至最佳的選擇嗎？
在地球上,，要想理解時間流逝的概念,、并利用重復(fù)出現(xiàn)的規(guī)律現(xiàn)象開展生物活動，其實只有兩種方法,。在較短的時間尺度上,，我們有“天”的概念。而這一概念很重要,，因為一天代表著日出和日落,，大致對應(yīng)一次完整的地球自轉(zhuǎn)，還與大多數(shù)動植物的活動與休眠周期保持一致,。這些現(xiàn)象都會日復(fù)一日地循環(huán)往復(fù)下去,。
但一旦將時間尺度拉長，就能看出每一天之間的區(qū)別了,。例如,，在一年的時間里，日出和日落的時間會逐漸提前或推遲,，白天的時長會逐漸增加或減少,，太陽高度會漸漸升高或降低,，四季會循環(huán)變遷,，動植物和其它生物的活動也會隨之改變,。而這些現(xiàn)象又會在接下來的每一年里循環(huán)往復(fù),，幾乎不會有任何變化,。
這樣看來,，不難理解我們?yōu)楹螘岢鰢@“天”和“年”等概念的計時體系,，因為我們在地球上的生活與這些周期性現(xiàn)象密不可分,。然而,，我們在地球上經(jīng)歷的“天”和“年”并不能很好地對應(yīng)宇宙中時間的流逝,，原因有很多,。
由于地球圍繞太陽運動的軌道為橢圓形，地球在近日點時速度會加快,，在遠(yuǎn)日點時速度會減慢,，因此日出和日落的時間會不斷變化，白天的長度也會不停增減,。這些規(guī)律會以年為單位重復(fù)發(fā)生,。
首先，一天的長度在地球歷史上已經(jīng)發(fā)生了顯著改變,。在月球,、地球和太陽之間的相互作用下，潮汐摩擦力導(dǎo)致每天變得越來越長,，月球也離地球越來越遠(yuǎn),。大約40億年前，地球上的“一天”只有6至8小時,，一年對應(yīng)的時長超過1000天,。
不過，在太陽系歷史中,，“年”的變化倒并不大,。一年代表著地球圍繞太陽完整旋轉(zhuǎn)一周所需的時間。其中最大的影響因素為太陽的質(zhì)量,。到目前為止，太陽已經(jīng)減少了相當(dāng)于一整顆土星的質(zhì)量,，導(dǎo)致地球到太陽的距離稍微變遠(yuǎn)了一些,，并且公轉(zhuǎn)速度也略有減緩，因此“一年”的長度有所增加,，不過增加的幅度很小,，僅為萬分之二。相當(dāng)于從太陽系誕生之初到現(xiàn)在,，每年的時長增加了兩小時左右,。
即使太陽系中有如此多復(fù)雜的天體物理學(xué)現(xiàn)象，一年的時長卻幾乎沒有變化,，因此對我們來說,，“年”就是用于大尺度計時最為穩(wěn)定的基準(zhǔn)。由于光速是一個已知,、且可測量的常數(shù),，“光年”作為一個距離單位，便自然而然地衍生了出來,。隨著時間的流逝,，光年的變化也是微乎其微,，數(shù)十億年間的變化幅度僅為0.02%。
地球軌道并不是正圓形,，而是橢圓形,。軌道的長軸與短軸比會不斷改變。而地球轉(zhuǎn)動一圈的時間決定了一年的長度,，所以年的長度也會緩慢變化,。
此外還有一個重要單位，不過它是在“年”的基礎(chǔ)上間接定義而來的,，也就是“秒差距”,。它不僅以時間為基礎(chǔ)，還以天文學(xué)角度和三角學(xué)為基礎(chǔ),。在地球圍繞太陽旋轉(zhuǎn)過程中,，即使是原地不動的恒星之間的相對位置也會發(fā)生變化，就像你的兩只眼睛交替睜眼時看到的情況一樣,，離你更近的物體相對于遠(yuǎn)處背景物的位置似乎有所改變,。
在天文學(xué)中，我們將這種現(xiàn)象稱為“視差”,，用來作為參照的長度也不是兩眼之間的距離,，而是地球相對于太陽的最大位置差，即地球軌道半徑,，約等于3億公里,。當(dāng)一個天體相對于遙遠(yuǎn)背景中天體的運動角度為1角秒時，兩者之間的距離便被定義為1秒差距,，約等于3.26光年,。
但我們憑什么將自己對時間的定義強(qiáng)行推廣到整個宇宙中呢？這種做法很不客觀,，仍未脫離“地心說”思維的桎梏,。無論是天還是年，都不應(yīng)作為整個宇宙的時間測量單位,；同理,，無論是光年還是秒差距（還有相關(guān)的千秒差距、百萬秒差距等等）,，也都不應(yīng)作為整個宇宙的距離測量單位,。
事實上，我們已經(jīng)找到了一些更加客觀,、更加遵從物理學(xué)的時間定義方式,。它們雖不存在“地心說”帶來的種種缺陷，但也有自己的問題,。你可以思考一下,，自己是更喜歡這些方法,、還是更喜歡目前以年為基礎(chǔ)（也是以地球為基礎(chǔ)）的計時方法。
在地球圍繞太陽旋轉(zhuǎn)過程中,，地球附近的恒星相對于遙遠(yuǎn)恒星的位置似乎會發(fā)生周期性變化,。當(dāng)一顆恒星的視角為1角秒（即1度角的3600分之一）時，其到地日系統(tǒng)的距離就剛好為1秒差距,，約為3.26光年,。
1）普朗克時間
有沒有一種對時間的定義完全以宇宙基本常數(shù)為基礎(chǔ)呢？答案就是“普朗克時間”,。宇宙中有三大可測量的基本常數(shù)：萬有引力常數(shù)G,、光速c、以及量子常數(shù)h（例如約化普朗克常數(shù)）,。將它們結(jié)合起來,，便可創(chuàng)造出一個基本時間單位：（G×h÷c5）的平方根，結(jié)果為5.4×10-43,，宇宙中的任何觀察者都能得出同樣的結(jié)論。
不過,，這個時間單位只適用于極小尺度,。在此尺度上，物理法則統(tǒng)統(tǒng)都會失效,，因為該尺度上的量子波動不會形成粒子/反粒子對,，而是會形成黑洞，沒有任何物理過程能與如此小的時間尺度相匹配,。要想運用普朗克單位來描述時間,，哪怕只是亞原子級的物理過程，也會是個天文數(shù)字,。例如，目前已知壽命最短的亞原子粒子是丁夸克,，其衰變時長約為1018個普朗克時間,，而傳統(tǒng)意義上的“一年”則會超過1051個普朗克時間。所以這種計時方式本身沒什么問題,，就是使用起來太不方便了。
2）原子鐘
這張藝術(shù)家繪制的概念圖描繪了時空的泡沫狀結(jié)構(gòu),，其中細(xì)小的泡泡只有原子核的十萬億分之一大,。它們會不斷波動、并且轉(zhuǎn)瞬即逝,。但它們的體積是存在下限的,，一旦小于這一下限,，物理學(xué)就無法再發(fā)揮作用。這個下限叫做普朗克尺度,，在距離上相當(dāng)于10-35米,，時間相當(dāng)于10-43秒。
一個有趣的事實是,，所有對時間、質(zhì)量和距離的定義都完全是由人類自己決定的,，一秒,、一克,、或一米其實沒有任何意義,，我們只是選擇將這些數(shù)值作為日常生活中的標(biāo)準(zhǔn)而已。但我們可以將這些量相互聯(lián)系起來,，就像剛才用三大基本常數(shù)定義普朗克時間一樣,。
既然如此，我們能否用原子躍遷（即電子從較高能級降到較低能級,、同時釋放出特定頻率和波長的光線）來定義時間和距離呢,？頻率是時間的倒數(shù)，因此可以將 “時間”定義為光線傳播一個波長所需的時長,，將“距離”定義為一個波長的長度,。這就是原子鐘的作用機(jī)制，也是我們對秒和米定義的基礎(chǔ),。
但這種定義依然很專斷,，而且大多數(shù)躍遷發(fā)生的速度都很快，時間間隔極短,，不適合日常使用,。例如,，秒的現(xiàn)代定義是銫-133原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)釋放出的光子在真空中傳播9,，192，631,，770個波長所需的時間,。那么年和光年呢？用這種計時方法,，得出的依然是一堆天文數(shù)字,，對大多數(shù)人來說都實在太麻煩了,。
3）哈勃時間
兩臺原子鐘的高度哪怕僅相差33厘米，鐘表運行的速度也會發(fā)生顯著差異,。這讓我們不僅可以測得引力場的強(qiáng)度,，還能測得其梯度變化，因此可用于測量海拔/標(biāo)高,。原子鐘以原子中的電子躍遷為基礎(chǔ),，是人類目前最精確的計時工具。
接下來讓我們走向另一個極端,，從量子世界直接上升到宇宙尺度,。宇宙正以一定速率不斷膨脹，這個膨脹率一般被稱作哈勃參數(shù),、又稱哈勃常數(shù),。雖然我們一般將其寫成“速度/距離”的形式，比如“71 km/s/Mpc”（即71公里/秒/百萬秒差距）,，它也可以簡單地寫成時間的倒數(shù),，即2.3×10-18s-1，再將其倒過來,，我們就得到了1個單位的“哈勃時間”,，即4.3×1017秒，大致等于宇宙自大爆炸發(fā)生以來的年齡,。
再將這一時間乘以光速,，就得到了“哈勃距離”，約為1.3×1013米,、或者137億光年,，約等于從地球到宇宙邊緣距離的30%。
這樣一番演算下來,，結(jié)果似乎很理想,，得出的距離尺度和時間尺度都可以與真正的宇宙規(guī)模相匹配了。但問題在于,，哈勃常數(shù)并不是真正的“常數(shù)”,，隨著宇宙的年齡不斷增加，這個數(shù)值會不斷減小,，而且背后的機(jī)制很復(fù)雜（取決于宇宙不同組成部分的相對能量密度）。所以這種計時理念雖然很有意思,，但并不現(xiàn)實,，因為對宇宙中的不同觀察者而言，宇宙自大爆炸以來經(jīng)歷的時間都不盡相同,，哈勃距離和哈勃時間也要做相應(yīng)的調(diào)整,。
4）氫原子自旋
測量過去的時間和距離可以幫助我們預(yù)測宇宙未來的演化方向,。將膨脹率與宇宙中的物質(zhì)和能量聯(lián)系在一起，便可得出宇宙的“哈勃時間”,，但哈勃時間并不是常數(shù),，而是會隨著宇宙的膨脹和時間的流逝發(fā)生改變。
到目前為止,，我們的每次嘗試似乎都不太適用于宇宙尺度,，但不要沮喪，還有一種可能性值得思考,。中性的氫原子由一個電子和一個原子核結(jié)合而成,，原子核中一般只有孤零零的一個質(zhì)子。當(dāng)電子達(dá)到基態(tài)時,，其相對于質(zhì)子可能有兩種配置方式,。要么電子和質(zhì)子的量子自旋方向相反，即分別為+?和-?,；要么方向相同,，即均為+?或均為-?。
若自旋方向相反,，此時電子的確處于最低能態(tài),；但若自旋方向相同，那么電子的旋轉(zhuǎn)方向有一定概率會發(fā)生翻轉(zhuǎn),，釋放出一個頻率為1,，420，405,，751.77 Hz的光子,。通過換算，這個頻率對應(yīng)的時間為0.7納秒,，長度約合21厘米,。
當(dāng)一個氫原子形成時，其中電子和質(zhì)子的自旋方向有50%的可能性相同,、50%的可能性相反,。如果相反，電子就不會再發(fā)生躍遷,。如果相同,，電子就可能躍遷到更低的能態(tài)上，釋放出一個特定波長的光子,，這一過程的時間尺度相當(dāng)長,。
最有意思之處在于，這個躍遷速度在天文學(xué)層面上其實是比較緩慢的，相當(dāng)于2.9×10-15s-1,。轉(zhuǎn)化為宇宙時間和宇宙長度,，分別得到1090萬年和1090光年，約等于3.3百萬秒差距,。在我們已知的所有自然界基本常數(shù)中,，這是最容易轉(zhuǎn)化為宇宙級時間尺度和距離尺度的一個。
但最最重要的是,，我們選擇的時間定義無論如何都是專斷的,。在涉及時長或距離的問題上，不同的定義對我們得出的答案其實并沒有什么影響,。只要我們定義的時間間隔維持不變,，這些答案在本質(zhì)上就都是相同的。
圖為我們可以觀測的宇宙范圍（黃圈）和可以到達(dá)的宇宙范圍（紫紅色）,?？梢娪钪姘霃綖?61億光年，假如在過去138億年間,，有一個發(fā)光物體隨著宇宙膨脹一直在遠(yuǎn)離地球,，其發(fā)出的光線要想在今天剛好抵達(dá)地球，這一半徑就是該物體與地球距離的上限,。但就算我們能以光速飛行,，我們也永遠(yuǎn)到不了180億光年以外的星系。無論將上述距離和時間轉(zhuǎn)化成什么單位,，得出的結(jié)論都是相同的,。
那么，不同的時間定義方式之間究竟有什么區(qū)別呢,？歸根到底,，區(qū)別其實在于我們身為人類、理解這些定義和數(shù)字的能力,。在閱讀天文學(xué)文獻(xiàn)時,，你會看到以年描述的時間，還會看到以天文單位,、秒差距,、千秒差距、百萬秒差距,、甚至十億秒差距描述的距離,，具體取決于描述的對象是太陽系、恒星間,、星系內(nèi),、星系間、還是宇宙級距離。但由于我們是人類,，我們在直覺上能夠很好地理解“年”的概念，只要用年乘以光速,，便可進(jìn)一步得出光年的概念,。這雖然不是唯一選項，卻是目前為止最常用的做法,。也許在目不可及的未來,，人類將脫離地球的束縛、飛向遙遠(yuǎn)的外太空,，到那時,，我們使用的單位也將脫離“地心說”的桎梏。
