宇宙探秘之關于時間的“幻覺”

□ 趙 爽

“在很久以前……”這是每個好故事都會出現的開頭，但是關于時間的故事是什么?

人們說“時光荏苒”、“時間就是金錢”、“我們浪費時間”、“消磨時間”、“我們試圖節省時間”……，但是我們真正了解時間嗎?

過去，人們認為時間是絕對的，它就像一條奔流不息的大河，從過去到現在，再到未來，對于河中泛舟而行的我們來說都是完全一樣的。但是，我們在過去一個世紀中的發現證明這種認識可能并不正確，事實證明時間可以“減慢”或者“加速”。也許，我們對于時間的大部分認識只是種幻想，與我們的常識相反，也許時間根本沒有流動——我們的過去不會消失，我們的未來也許已經存在。但是事情怎么會這樣？我們對于熟悉的事物怎會錯的如此離譜?假如時間不是我們想象的那樣，那么它會是怎樣的?接下來，讓我們一起探索。

日晷

對于時間的認識從測量它開始

如何著手去解開時間這個深奧難懂的謎團?我們首先想到的一種方法就是測量它。幾千年前，人類就開始測量時間,并在隨后的日子里創造了各種不同形狀、尺寸和樣式的鐘。

第一個可以稱之為“鐘”的物體是地球，它每天只會“滴答”一聲。地球日復一日地繞著地軸旋轉，因此地球的運動規律可以用來度量時間。我們一直在尋找各種具有周期性運動規律的事物，然后利用這種具有周期性的事物作為時鐘。通過一個日晷測量地球的運動，我們將一天分為小時；根據鐘擺的擺動，我們將小時劃分為分鐘和秒；根據石英晶體的振動，我們把時間的測量精度提高到千分之一秒。當然，如果要問目前世界上最精確的鐘是什么，那可要數大名鼎鼎的銫原子鐘了。當一個銫原子被外界的能量轟擊時，它發生振動并向外發出頻率為9192631770Hz脈沖信號。換句話說，每當銫原子震蕩9192631770次后，一秒鐘就過去了。這個精度是非常驚人的，每隔幾個月，我們的手表就會走快或走慢一秒，但是對于銫原子鐘，幾千萬年內才可能走快或走慢一秒鐘。

幾百年來，我們一直在謀求通過一種更精確的時間測量手段代替另一種時間測量手段，并帶來了人類文明的進步，從而為我們的生活帶來了翻天覆地的變化。比如，現在已經廣泛應用的GPS等全球衛星導航系統，其空間段衛星的核心部件就是用來授時的原子鐘。因為衛星導航系統定位的基本原理，就是通過計算4顆以上的衛星到用戶手中接收機的信號傳輸時間，再乘以光速得到用戶與這些衛星的距離，從而計算出用戶的位置的。

愛因斯坦改變了我們對于時間的認識

不管我們的時鐘變的多精確，時間仍然很神秘。時鐘能告訴我們現在是什么時間，但是它們不能告訴我們時間的本質。一直以來，人們都認為時間是絕對的，不會減慢也不會加速，只是在均速的滴答聲中流逝。“時間是宇宙的一種永恒不變的性質，時間總是以同樣的速度改變，時間不隨外物而變”，這是由現代科學之父艾薩克·牛頓做出的對于時間的常識性描述。不過，在20世紀初，一個叫阿爾伯特·愛因斯坦的年輕人改變了人們的看法。

在愛因斯坦的理論中，每個人都有自己的時間，每個人的時間都以不同的速率運行。也就是說，沒有所謂的宇宙標準時間，事實上宇宙有各種不同的時間。愛因斯坦所指出的是，在空間的運動和時間的流逝之間有一種極為微妙而又深遠的聯系，空間的運動會影響時間的流動。舉個例子,如果我就站在你面前，如果不動，你會覺得我是靜止的，這樣其實并不全面，因為在空間上我是靜止的，但是在時間上我卻是運動的，比如至少你看到了我的表還在走。接下來，如果我向你走來，那么會發生什么呢？按照愛因斯坦的理論，在你看來，我的表會走慢了，當然這種變化你是察覺不到的，因為我運動的速度太慢了。如果我是以接近光的速度朝你接近，那這種現象將非常明顯，這就是著名的“鐘慢”效應。

對于正在移動的人，時間變慢了，這看起來匪夷所思了。在愛因斯坦之前，沒有人曾預見過這種事情可能會發生。我們在日常生活中沒有看到過這樣的事情，只是因為在地球上這么慢的速度下，動作對時間的影響太小了，以至于我們沒有察覺，但這些影響是真實的，并且能被測量。為了驗證這個現象，所需要的就是兩個原子鐘和一架噴氣式飛機，而這個實驗在1971年已經做過。科學家讓一個原子鐘繞地球飛行，然后和地上的那個原子鐘比較。就像愛因斯坦預測的那樣，這兩個鐘不再相互一致，雖然兩者之間的時間差只有幾千億分之一秒，但這非常有力地證明了運動對于時間流動的影響。

些許有些人會覺得愛因斯坦對于時間的理論離我們的日常生活太遠，就算它是正確的，但是對于我們的日常生活沒有實際的應用價值。可是，實際上，愛因斯坦的相對論已經在我們的生活中廣泛應用了。還以前文的GPS系統為例，在十幾年前，GPS還是高尖端的東西，而現在它已進入了普通人家，現在只要花幾百塊錢買一個帶GPS的手機，就可以隨時知道自己在地球上的準確位置。前文已經提到，GPS是時間測距系統，通過測量從GPS衛星到用戶的信號傳播時間再乘以光速來測量衛星到用戶的距離，而由于衛星的位置是已知的，因此最終計算出用戶的位置。所以，時間計量是GPS系統工作的根本。GPS衛星以每小時14000千米的速度繞地球飛行。根據狹義相對論，當物體運動時，時間會變慢，運動速度越快，時間就越慢。因此在地球上看GPS衛星，它們攜帶的時鐘要走得比較慢，用狹義相對論的公式可以計算出，每天慢大約7微秒。而GPS衛星位于距離地面大約2萬千米的太空中。根據廣義相對論，物質質量的存在會造成時空的彎曲，質量越大，距離越近，就彎曲得越厲害，時間則會越慢。受地球質量的影響，在地球表面的時空要比GPS衛星所在的時空更加彎曲，這樣，從地球上看，GPS衛星上的時鐘就要走得比較快，用廣義相對論的公式可以計算出，每天快大約45微秒。在同時考慮了狹義相對論和廣義相對論后，GPS衛星時鐘每天還要快上大約38微秒，這似乎微不足道，但是不要忘了測量距離=時間×速度，如果把38微妙乘以光速那么距離誤差將達到10千米以上，那GPS就沒有意義了。正是考慮到這一影響，并加以修正，GPS系統才得以良好工作并為我們的生活帶來了巨大便利。

銫原子被外界的能量轟擊后向外輻射脈沖信號

采用時間測距原理的衛星導航系統,每次定位解算至少需要四顆衛星

過去、現在和將來也許“就在那兒”

當發現了時間和空間之間這意想不到的關系之后，愛因斯坦意識到時間和空間再也不能被單獨地看作是獨立的事物了，時間和空間是互相聯系的，因此被稱為“時空”。這種將時間和空間互相聯系的想法，使愛因斯坦領悟了世上最離奇費解的一個結論：也許，我們對于時間的大部分認識只是種幻想，與我們的常識相反，也許時間根本沒有流動——我們的過去不會消失，我們的未來也許已經存在。

為了便于理解這個結論，我們把時間想象成一系列的快照或者時刻，所有發生的事情都可以被看來是一個快照的合集，一張一張地打開，依次呈現。然后我們再來考慮一些看起來簡單的定義，比如“現在”，它將帶有主觀性。對于正在讀這篇文章的讀者你來說，也許你辦公室墻上的掛鐘正在嘀嗒地走著，對面一家民宅中一只花貓正在跳下窗臺，遠處一只白鴿正在天空飛過，再遠一點一個流星剛剛撞上了月球，宇宙中的某個角落一個恒星正發生了爆炸，這些事情以及其他此時此刻正在發生的、但在我們宇宙的不同地方發生的事情，共同組成了你所直觀認為的“現在”。你可以把它們描述為時空中的一個切片，我們姑且稱它為“現在切片”。我、你以及其他所有人現在發生的、或存在的，都與“現在切片”上的記載相符，時間就這樣一個瞬間接著一個瞬間地過去。這就是說，對于一個特定的“現在切片”，我們都清楚什么正在進行。

跨越時空對話的兩位科學巨匠——牛頓（左）與愛因斯坦（右）

時間上的“現在切片”

移動造成了“現在切片”的不同，只要距離足夠遠，即使是低速移動的外星人也將可以“看到”我們的過去和未來

但愛因斯坦表示，奇怪的是，當你把動作考慮進去的話，這個對于時間的常識性的認識就不再適用了。為了便于理解，可以把時空想象成一塊面包，既然有不同的方式去把一塊面包分成幾片，同樣也應該有不同的方式分割時空，來把它分成一個個“現在切片”。按照愛因斯坦的觀點，動作影響時間的流動，關于現在正發生什么，移動的人將有不同的認識。換句話說，移動中的人將通過不同的角度，在時空上切出了不同的“現在切片”。為了感受一下這異乎尋常的現象,我們可以假設這樣一個例子:有一個外星人,它住在一個距離地球100億光年的星系上,還有一個人在地球上，正坐在加油站旁邊。現在，如果他們都坐著，相互之間沒有移動，他們的鐘以相同的頻率報時，因此他們有著一樣的“現在切片”，打個比方也就是一片直著切的面包薄片。但如果外星人騎上它的自行車，并且向遠離地球的方向騎，那么會發生什么變化呢？注意，由于動作減慢了時間的流動，他們的鐘再也不將以相同的頻率報時，而如果他們的鐘不再保持一致，他們所在的“現在切片”，也不再一樣了。盡管外星人的“現在切片”的角度可能朝著過去偏了一點點，但跨越100億光年，這個小角度可以造成時間上巨大的影響。所以外星人能在他傾斜的“現在切片”上發現，他所認為的正在地球上發生的事情，已經不再包括我們在加油站的朋友了，可能已經是幾十年前當我們的朋友還是一個寶寶時的地球，或者甚至更遠，那時秦始皇還在修長城。也就是說，外星人的“現在切片”回到了過去。同理，如果這位外星人調轉車頭，駛向地球，他所在的“現在切片”將以新的角度朝向地球的未來，可能外星人看到我們地球上的那位朋友的孫女都成為奶奶了。

上面的例子告訴我們，過去、現在、未來都同樣是真實的，它們全都存在。就像我們思考所有的空間“就在那兒”一樣，我們也應該考慮所有的時間也是“就在那兒”。

用電腦虛擬的宇宙飛船繞黑洞想象圖

蟲洞的原理圖，可以看到，蟲洞是連接過去與未來時空的“橋梁”

“穿越時空”的那點事兒

我們所感覺到的時間流動，也許就只是一個幻覺。但是，如果時間像一條冰封的河流永不流動，并且所有的時間“就在那兒”，那么旅行到未來或者過去會成為可能嗎?

盡管到現在，除了好萊塢之外沒有人能“制造”出時間機器，但理論上時間旅行還是可能實現的。穿越時間的一種方法是充分地利用引力的奇特性質。這種讓我們腳貼地的熟悉力量，能對時間產生深遠的影響。那么怎樣利用引力來造個時間機器呢?愛因斯坦的理論說明，引力就像運動能影響時間，就好像引力能拖住時間，減慢時間的流逝，而且引力越強時間流逝的越慢。在地球上，這個影響不易引起人們的注意，但它卻是真實存在的。和住在摩天大樓頂部的人相比，住在大樓底部的人會覺得時間的流逝較慢一些，這是因為靠近地面的引力會比樓頂的引力稍強。但是如果你能到達黑洞，引力對時間的影響將變得很大。黑洞具有巨大的引力，其引力強過地球的百萬甚至十億倍。如果有人看到你接近一個黑洞，他們可以看到時間顯著地減慢。當接近黑洞時，你會發現你與朋友相隔變遠，移動、講話變慢，生物學上的變老也會減慢。對他們來說幾年過去了，但對你可能只是幾分鐘。所以，如果能夠乘飛船繞黑洞附近飛上幾個小時再回來，可能你就到達未來了。

如果說理論上，人們可以穿梭時空到未來，那么如何穿越到過去呢?利用愛因斯坦方程所預測的一些東西，也就是蟲洞，穿越到過去也是可能的。如果蟲洞存在，它們就像一種時空的捷徑，不僅僅是一種連接兩個地方的隧道，也是連接兩個時間的隧道。一個蟲洞可以連接一部分時空到另一部分，即更早的時空，就像一種穿越時間的地鐵系統。

不過，自從上個世紀30年代由愛因斯坦及納森·羅森在研究引力場方程時假設提出，一直到現在,蟲洞的存在性始終沒有獲得證明。而且關于穿越時空，這里也有一個邏輯上問題。如果假設真的在未來可以實現穿越時空，那為什么我們沒有被來自未來的人蹂躪?為什么我們從未看到過任何勇敢的時空旅行者，穿越到我們的世界？因此，從邏輯上看，許多人猜測穿越到過去是不可能的。不過，至少在數學上尚未排除這種可能。