探索 | 時(shí)間是否是恒定的？

自歷史發(fā)端，人類(lèi)便不斷探索與研習(xí)著世界的奧秘。幾千年的科技進(jìn)步使得我們得以跨越地球的界限，步入宇宙的廣闊。當(dāng)我們邁出地球，遨游在宇宙的壯麗之中，人們的好奇心被宇宙的遼闊深深吸引。人們思索著，這個(gè)無(wú)盡的空間究竟有多大？在宇宙的無(wú)數(shù)星體中，除了地球，是否還存在著其他生命？科學(xué)家們的研究揭示了宇宙的浩瀚無(wú)垠。它是一個(gè)包含無(wú)數(shù)星體的星際空間，這些星體包括恒星、行星、彗星、小行星、中子星和黑洞等。這些都是宇宙大爆炸的產(chǎn)物，而地球，只是太陽(yáng)系中的一顆行星。

▏旅行者號(hào)

面對(duì)如此浩瀚的宇宙，人類(lèi)和地球都顯得無(wú)比渺小。為了揭開(kāi)宇宙的神秘面紗，科學(xué)家們付出了巨大的努力。46年前，科學(xué)家們發(fā)射了旅行者1號(hào)和2號(hào)探測(cè)器，目標(biāo)直指太陽(yáng)系之外的宇宙奧秘。在發(fā)射之前，科學(xué)家們?cè)谔綔y(cè)器上安裝了一張金唱片，它的直徑為12英寸，鍍金表面，內(nèi)藏金剛石留聲機(jī)針。這張唱片即使在10億年之后，音質(zhì)依然如新。唱片中包含了55種人類(lèi)語(yǔ)言的問(wèn)候語(yǔ)和各種音樂(lè)，還有115幅影像，包括太陽(yáng)系各行星的圖片和說(shuō)明等。這些信息旨在向外星人傳達(dá)太陽(yáng)系中存在著生命。

然而，這引發(fā)了一個(gè)問(wèn)題，即使外星人發(fā)現(xiàn)了這張金唱片，它們能理解上面的內(nèi)容嗎？為了解決這個(gè)問(wèn)題，天文學(xué)家卡爾·薩根與相關(guān)部門(mén)合作制作了一個(gè)特殊的封面。這個(gè)封面上有許多符號(hào)，左上角的原型用二進(jìn)制數(shù)字表示了唱片的正常運(yùn)轉(zhuǎn)速度，為3.6秒/轉(zhuǎn)。右下角的兩個(gè)連接的圓圈代表了氫原子的低能狀態(tài)?？茖W(xué)家還在唱片的左下角刻錄了放射性圖案，這個(gè)圖案以銀河系中已知的14個(gè)脈沖星的位置來(lái)表示太陽(yáng)系的位置，用二進(jìn)制數(shù)字表示其脈沖星的周期?？枴に_根認(rèn)為，只要遇到先進(jìn)的文明，探測(cè)器就有可能被捕捉到，它所攜帶的金唱片就可能會(huì)被播放。盡管已經(jīng)過(guò)去了這么多年，旅行者1號(hào)探測(cè)器仍然沒(méi)有完全脫離太陽(yáng)系。據(jù)科學(xué)家計(jì)算，按照其當(dāng)前的飛行速度，完全飛出太陽(yáng)系至少需要上萬(wàn)年的時(shí)間。

▏光速的探索

對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)，這個(gè)時(shí)間跨度實(shí)在太長(zhǎng)，因此若要人類(lèi)探索太陽(yáng)系以外的宇宙，我們需要達(dá)到接近光速的飛行速度，每秒30萬(wàn)公里，這是目前所知宇宙中最快的速度。然而這個(gè)速度已經(jīng)超出了人類(lèi)的想象。最早測(cè)量光速的科學(xué)家伽利略在1638年曾嘗試一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)，他們登上兩座相隔甚遠(yuǎn)山峰，每組使用一個(gè)光源——煤油燈，并對(duì)其進(jìn)行了小改造，加裝一個(gè)滑蓋使得燈光能夠開(kāi)關(guān)控制，通過(guò)迅速開(kāi)關(guān)滑蓋使得燈光呈現(xiàn)閃爍效果。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，除了兩盞煤油燈之外，他們還使用了兩個(gè)相同的鐘擺計(jì)時(shí)器進(jìn)行精確計(jì)時(shí)。

他試圖通過(guò)記錄燈光開(kāi)啟和關(guān)閉的時(shí)間差來(lái)測(cè)量光速，但這個(gè)辦法因?yàn)槿祟?lèi)反應(yīng)速度和光速的巨大差異而無(wú)法成功。隨后，1676年，奧勒·羅默首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)光速的測(cè)量。他觀察木星的衛(wèi)星一，當(dāng)衛(wèi)星一轉(zhuǎn)到木星背后時(shí)，就會(huì)被遮蔽，產(chǎn)生衛(wèi)星蝕。隨著地球在公轉(zhuǎn)軌道上靠近木星，從地球上觀測(cè)到衛(wèi)星蝕之間的時(shí)間間隔逐漸縮短。而當(dāng)?shù)厍蜻h(yuǎn)離木星時(shí)，衛(wèi)星蝕的時(shí)間間隔則逐漸變長(zhǎng)。羅默根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算出，當(dāng)?shù)厍蚓嚯x木星最近時(shí)，衛(wèi)星蝕比按照公轉(zhuǎn)周期預(yù)測(cè)的時(shí)間提前了約11分鐘。而當(dāng)?shù)厍蚓嚯x木星最遠(yuǎn)的時(shí)候，衛(wèi)星蝕比預(yù)期的時(shí)間晚了11分鐘出現(xiàn)。羅默發(fā)現(xiàn)累積的時(shí)間大約是22分鐘，他認(rèn)為這22分鐘就是光在地球公轉(zhuǎn)軌道上傳播的時(shí)間。之后羅默計(jì)算出來(lái)的光速大約是每秒22萬(wàn)千米，然而這個(gè)數(shù)據(jù)與現(xiàn)代的數(shù)據(jù)相差甚遠(yuǎn)。

在1950年，艾森提出了空腔共振法來(lái)測(cè)量光速，最終得出的光速值大約是每秒299792457.4，這個(gè)數(shù)值與現(xiàn)代的光速基本一致。然而，對(duì)于現(xiàn)代人類(lèi)科技來(lái)說(shuō)，達(dá)到光速或者亞光速飛行仍然是一個(gè)遙不可及的目標(biāo)?？茖W(xué)家們正在積極探索突破光速的奧秘，但想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)卻是相當(dāng)困難。

▏時(shí)間是否是恒定的

在光速和亞光速的世界里，參照系的選擇顯得尤為重要。如果你乘坐一艘光速飛船離開(kāi)地球，一分鐘后返回地球，你的一分鐘和地球上的一分鐘是否相等？
根據(jù)牛頓的時(shí)空觀，無(wú)論你以多快的速度離開(kāi)地球，時(shí)間都是不會(huì)改變的。牛頓認(rèn)為時(shí)間是一種無(wú)論如何都會(huì)流動(dòng)的真實(shí)存在，他在自己的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書(shū)中寫(xiě)道：絕對(duì)的、真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自身在流逝著，且由于其本性而在均勻的、與任何外界事物無(wú)關(guān)的流逝著。除了亞里士多德提出的相對(duì)時(shí)間，牛頓還認(rèn)為存在一種絕對(duì)的時(shí)間（同時(shí)存在絕對(duì)的空間），這個(gè)時(shí)間獨(dú)立于事物及其變化，即使事物沒(méi)有發(fā)生運(yùn)動(dòng)變化也會(huì)流逝。

在我們的宇宙中，時(shí)間的概念一直以來(lái)都是我們探索和追尋的焦點(diǎn)。牛頓的理論為我們揭示了一個(gè)普遍適用于所有人的時(shí)間概念，無(wú)論貧富，時(shí)間總是以相同的速度流逝。然而，隨著愛(ài)因斯坦的相對(duì)論的出現(xiàn)，這個(gè)傳統(tǒng)理論被打破了。在愛(ài)因斯坦的理論中，他提出了一個(gè)令人震驚的觀點(diǎn)：時(shí)間會(huì)膨脹。這個(gè)觀念表明，一個(gè)人觀察到的時(shí)間會(huì)因?yàn)樗乃俣群褪艿降囊τ绊懚l(fā)生變化。這也就意味著，時(shí)間不再是絕對(duì)不變的，而是相對(duì)的，可以因?yàn)橛^察者的不同而發(fā)生變化。

當(dāng)一個(gè)觀察者處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或者強(qiáng)引力場(chǎng)時(shí)，他們所感知的時(shí)間就會(huì)變得極其緩慢。愛(ài)因斯坦的相對(duì)論將時(shí)間和空間視為統(tǒng)一時(shí)空，時(shí)間和空間的度量取決于觀測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)這個(gè)理論，我們將會(huì)發(fā)現(xiàn)不同的觀察者所感知的時(shí)間流逝速度可能是不同的。當(dāng)一個(gè)觀察者處于高速運(yùn)動(dòng)或者強(qiáng)引力場(chǎng)時(shí)，他們的時(shí)間就會(huì)變得很慢。狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論是愛(ài)因斯坦理論中的兩個(gè)重要概念，它們描述了兩種引起時(shí)間膨脹的情況：速度和引力。在這個(gè)框架下，時(shí)間的流逝速度可以被視為由兩個(gè)因素決定：物體的運(yùn)動(dòng)速度和它所受到的引力（質(zhì)量）。如果物體的運(yùn)動(dòng)速度越快，或者它所受到的引力越大，那么時(shí)間膨脹的效應(yīng)就會(huì)越明顯。

想象一下，如果你乘坐一艘飛船在宇宙中飛行，速度是每秒0.5光年，你打開(kāi)手電筒，按照我們通常的理解，手電筒發(fā)出的光的速度應(yīng)該是飛船速度加上光的速度，也就是1.5光年。但事實(shí)上并不是如此，光的速度還是每秒30萬(wàn)公里，這是因?yàn)楣馑偈呛愣ú蛔兊摹Ｔ谶@個(gè)例子中，我們可以看到愛(ài)因斯坦的理論如何改變了我們對(duì)時(shí)間的理解。不再是所有人共享同一個(gè)時(shí)間，而是每個(gè)人的時(shí)間都有所不同，取決于他們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和所處的引力場(chǎng)。愛(ài)因斯坦的理論為我們揭示了一個(gè)全新的宇宙圖景，讓我們對(duì)時(shí)間和空間有了更深的理解和認(rèn)識(shí)。

我們通常使用的速度疊加公式實(shí)際上是伽利略變換，它僅在低速世界中有效。一旦進(jìn)入亞光速世界，它就不再適用。通過(guò)愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，我們可以得出光速是恒定不變的。但當(dāng)你乘坐光速飛船離開(kāi)地球時(shí)，飛船上的時(shí)間流逝要比地球上的時(shí)間慢很多。根據(jù)時(shí)間膨脹效應(yīng)公式，當(dāng)飛船的飛行速度達(dá)到光速的0.5倍時(shí)，時(shí)間膨脹效應(yīng)為1.15倍。當(dāng)速度達(dá)到光速的0.9倍時(shí)，時(shí)間膨脹效應(yīng)為2.29倍。當(dāng)速度達(dá)到光速的0.99倍時(shí)，時(shí)間膨脹效應(yīng)為7倍。當(dāng)速度達(dá)到光速的0.9999倍時(shí)，時(shí)間膨脹效應(yīng)為70倍。當(dāng)速度達(dá)到光速的0.999999999時(shí)，時(shí)間膨脹效應(yīng)為707萬(wàn)倍。這意味著，你在光速飛船上度過(guò)的一分鐘，在地球上可能已經(jīng)過(guò)去了數(shù)千年或數(shù)萬(wàn)年的時(shí)間。

因此，不要小看這一分鐘。如果你的速度足夠快，你可能會(huì)在自己的家人還活著的時(shí)候再也見(jiàn)不到他們，甚至無(wú)法返回地球。因?yàn)榈饶惴祷氐厍驎r(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)地球已經(jīng)不存在了，早已經(jīng)毀滅了，因?yàn)榈厍蛏系臅r(shí)間可能已經(jīng)過(guò)去了幾十億年，甚至在這短短的一分鐘內(nèi)，你會(huì)見(jiàn)證宇宙的毀滅。

▏穿越時(shí)空能否實(shí)現(xiàn)

如果飛船的速度能夠超越光速，那么時(shí)間就會(huì)倒流。然而，盡管時(shí)間會(huì)倒流，但從理論上來(lái)說(shuō)，我們也不可能穿越時(shí)空回到過(guò)去，我們只是能夠追上逝去的時(shí)間。例如，我們能看秦始皇登基的場(chǎng)景。在兩千多年前，秦始皇登基的場(chǎng)景映射在了當(dāng)時(shí)的光子中，隨著時(shí)間的流逝，這些光子已經(jīng)在宇宙中飛行了兩千多年。如果我們的飛行速度能夠超越光速，那么我們就能夠追上當(dāng)時(shí)的光子，然后親眼目睹秦始皇登基之后的場(chǎng)景。然而這些都只是科學(xué)家的猜測(cè)。就目前來(lái)說(shuō)，人類(lèi)的飛行速度和光速相差非常大。我們別說(shuō)超越光速了，即便我們能夠達(dá)到亞光速飛行都已經(jīng)非常不錯(cuò)了。只要我們能夠達(dá)到亞光速飛行，人類(lèi)飛出太陽(yáng)系也非常容易。只要人類(lèi)能夠飛出太陽(yáng)系，那么人類(lèi)對(duì)宇宙的認(rèn)知將會(huì)越來(lái)越多。

在宇宙的廣袤無(wú)垠中，人類(lèi)仿佛被困在了一個(gè)小小的太陽(yáng)系里。面對(duì)96%與我們失去聯(lián)系的星系，我們只能通過(guò)觀測(cè)來(lái)揣測(cè)它們過(guò)去的模樣。而我們的宇宙，仍在不斷膨脹，仿佛在訴說(shuō)著一段失落的故事。1929年，哈勃發(fā)表了一篇具有里程碑意義的論文，揭示了他的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)。他發(fā)現(xiàn)，所有的星系都在以不同的速度遠(yuǎn)離我們。這一發(fā)現(xiàn)暗示了一個(gè)讓人震驚的事實(shí)——可觀測(cè)宇宙正在膨脹。哈勃的定律指出，星系移動(dòng)的速度與它們到地球的距離成正比。這一發(fā)現(xiàn)徹底顛覆了我們對(duì)宇宙的傳統(tǒng)認(rèn)知，它證明了宇宙并非靜止不動(dòng)，而是在不斷膨脹。這個(gè)理論讓科學(xué)家們感到了深深的絕望，他們意識(shí)到，距離地球180億光年以外的星系正在以超越光速的速度遠(yuǎn)離我們。這不僅意味著我們永遠(yuǎn)無(wú)法看到那些星系現(xiàn)在的樣子，更糟糕的是，未來(lái)的人類(lèi)文明可能永遠(yuǎn)無(wú)法到達(dá)那些星系。因?yàn)樗鼈冋谝猿馑龠h(yuǎn)離我們，將我們永遠(yuǎn)分隔在兩個(gè)無(wú)法觸及的世界中。

盡管如此，人類(lèi)對(duì)未知的渴望和對(duì)科學(xué)的探索精神并沒(méi)有因此而消減。當(dāng)前人類(lèi)能夠觀測(cè)到的宇宙直徑已經(jīng)達(dá)到了930億光年，在這個(gè)觀測(cè)范圍內(nèi)有2萬(wàn)億個(gè)星系，其中至少1.8萬(wàn)億個(gè)星系已經(jīng)與人類(lèi)失去了聯(lián)系，宇宙因?yàn)槌馑倥蛎浂环指畛闪艘蛔聧u。每一個(gè)孤島上的智慧文明都可能永遠(yuǎn)無(wú)法知曉其它文明的存在。然而，作為地球上最具智慧的生命，人類(lèi)始終堅(jiān)持不懈地探索宇宙的奧秘。隨著科技的快速進(jìn)步和發(fā)展，未來(lái)我們或許能夠?qū)崿F(xiàn)超光速飛行，解開(kāi)宇宙中更多的謎團(tuán)。

（圖片源自網(wǎng)絡(luò)）

作者 | 幾維鳥(niǎo)

畢業(yè)于新西蘭林肯大學(xué)金融專(zhuān)業(yè)。對(duì)大眾科普知識(shí)擁有濃厚興趣，曾在多個(gè)科普期刊上發(fā)表過(guò)科普文章。關(guān)注事實(shí)，并積極探索前沿科技。