週一 · 知古通今|週二 · 牧夫專欄

週三 · 太空探索|週四 · 觀測指南

週五 · 深空探測|週六 · 茶餘星話|週日 · 天文周曆

翻譯：DAIKIN

校譯：郭皓存/王延昕

排版：邱曉磊

原文作者：Paul Sutter

原文鏈接：https://www.space.com/mysteries-of-light-and-time.html

大家還記得上週我們介紹的神祕的綠光嗎？

你見過神祕的綠光嗎？

這周我們來走近光和時間~~

黑洞裏噴射出一束接近光速的氣流。當物體接近光速時，時間就變得怪異起來。

圖源：: NASA/JPL-Caltech

本文的作者，Paul M.Sutter是俄亥俄州立大學的天體物理學家，也是《人在宇宙中的位置》（Your Place in the Universe）的作者。

人類真的瞭解時間嗎？答案是否定的。

“洗手的時候，日子從水盆裏過去；吃飯的時候，日子從飯碗裏過去；默默時，便從凝然的雙眼前過去。我覺察他去的匆匆了，伸出手遮挽時，他又從遮挽着的手邊過去...”

每個人無時不刻都感受得到時間的流逝，但我們卻又對時間這個概念缺乏嚴謹全面的理解。如果我們用狹義相對論和廣義相對論來看待時間，我們又好像知道點什麼。關於時間，愛因斯坦教給我們很多：空間和時間是相連的；你永遠不可能超過光速；宇宙的壽命是有限的；不同的觀察者經歷的時間長度也是不同的。

這就引出了一些有趣的問題。

宇宙的“年齡”

在這張由歐洲航天局普朗克探測衛星於2013年拍攝的宇宙微波背景圖中顯示了宇宙最古老的光線

圖源：ESA

宇宙有137.7億“歲”，但引用狹義相對論時，我們發現每個人因爲速度的不同，測量的時間也不同。那麼我們在地球上繞着太陽轉，太陽繞着銀河轉，我們對時間流逝的感知應該與在其他星系行星上的人的感受不同。這樣的話，我們怎麼能確定宇宙的“真實”年齡呢？

這就是糾結的地方。根據狹義相對論，不同的觀察者測量的時間也不同。但整個宇宙並不能完全用狹義相對論闡釋。我們常用來理解宇宙物質的是廣義相對論。而從廣義相對論的觀點來看宇宙時，就發現宇宙隨時間膨脹，它過去比現在小，將來會更大。時間的某一特定時刻和宇宙的大小有着直接的聯繫。我們因此能夠造一個“宇宙時鐘”，一個130億年來不停滴答作響的時鐘。

地球在宇宙中的運動對“時鐘”的運作會產生些微影響，但是根據廣義相對論，這些影響可以忽略不計，進而計算出宇宙的“真實”年齡，這對於宇宙中的任何其他觀察者同理。

光能夠感受到時間流逝嗎？

移動中的時鐘走得慢一點。你在空間裏移動越快，時間流逝速度就越慢。這是愛因斯坦狹義相對論最令人驚奇的結果之一，而這也把時間和空間的獨特關係可視化了。這種“時間膨脹”效應在日常生活中是完全察覺不到的。只有當接近光速時，時間纔會有些許變化。

所以，如果時間對你來說走得越慢，你就能越快達到光速。那麼光本身呢？光速是宇宙目前的“最高限速”，那光是不是就感知不到時間呢？

可以這麼說，但也不完全正確。我們對時間和空間關係的瞭解，主要基於狹義相對論所包含的內容。雖然理論導出了各種瘋狂的結果，但它的基礎是非常簡單的。其中最重要的便是物理定律普遍性的概念：一個觀察者的感受適用於所有觀察者。

根據麥克斯韋方程組，我們知道光速是恆定的。每一個觀察者，不論自身速度如何，都會測得相同的光速。

因此如果我們想把狹義相對論的知識應用到光速下的運動中，就會產生一個小麻煩。想要解答“光是如何感受時間流逝”，我們必須把自己放在一個與光束同行的參照系中。但在這個參照系中，光對我們來說是幾乎靜止的。

這樣的事在物理定律裏是不可能的，所以這樣的參照系是不存在的，因此狹義相對論就不起作用了。但如果沒有狹義相對論，也就無法知道空間和時間之間的關係。

這麼糾結的推理得出了什麼結果呢？那就是光並不能感受到時間的流逝，我們的時間概念甚至根本不能適用於光。

光連時間是什麼都不知道。

雙生子佯謬：誰的說法是對的？

圖源：idaakasmidar.blogspot.com

一對雙胞胎中其中一人坐上了能以近光速飛行的宇宙飛船，另一個人宅在家。

在宇宙飛船上的哥哥穿梭於銀河系，開開心心地玩了一大圈。而宅在家裏的弟弟卻每天都在忙於家務。

回到地球后，意猶未盡的哥哥感覺只玩了幾個禮拜，頂多兩三個月而已。長是長了點兒，但沒什麼大不了的。宅在家裏的弟弟卻經歷了好幾年、甚至好幾十年的孤單寂寞冷。

這也沒什麼好意外的，我們都知道物體移動得越快時間就過得越慢。宅在家裏弟弟認爲：是宇宙飛船以接近光速飛行，使得飛船上的鐘自然就跑得比地上慢。

等等，讓我們換個角度再仔細想一想。在宇宙飛船上的哥哥也可以說他纔是靜止的那個，是整個宇宙在以近光速相對他的飛船反向移動，因此地球上的弟弟才應該保持年輕纔對。

他們當中哪一位說得對呢？

宅在家裏的弟弟說的是對的。假如宇宙飛船持續以接近光速移動下去，那移動的確是相對的。他們同時會觀察到對方的時間過得比自己慢。但當宇宙飛船開始減速後，這個對稱性就被打破了。宇宙飛船上的那位會觀察到留在地球上的弟弟隨着飛船減速快速變老，體驗了一把現實版的光陰似箭日月如梭。

責任編輯：王延昕

牧夫新媒體編輯部

本賬號系網易新聞?網易號“各有態度”簽約賬號

『天文溼刻』 牧夫出品

微信號：astronomycn

春分日出與星軌

Image Credit & Copyright:

Juan Carlos Casado (TWAN, Earth and Stars)

謝謝閱讀