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翻译：DAIKIN

校译：郭皓存/王延昕

排版：邱晓磊

原文作者：Paul Sutter

原文链接：https://www.space.com/mysteries-of-light-and-time.html

大家还记得上周我们介绍的神秘的绿光吗？

你见过神秘的绿光吗？

这周我们来走近光和时间~~

黑洞里喷射出一束接近光速的气流。当物体接近光速时，时间就变得怪异起来。

图源：: NASA/JPL-Caltech

本文的作者，Paul M.Sutter是俄亥俄州立大学的天体物理学家，也是《人在宇宙中的位置》（Your Place in the Universe）的作者。

人类真的了解时间吗？答案是否定的。

“洗手的时候，日子从水盆里过去；吃饭的时候，日子从饭碗里过去；默默时，便从凝然的双眼前过去。我觉察他去的匆匆了，伸出手遮挽时，他又从遮挽着的手边过去...”

每个人无时不刻都感受得到时间的流逝，但我们却又对时间这个概念缺乏严谨全面的理解。如果我们用狭义相对论和广义相对论来看待时间，我们又好像知道点什么。关于时间，爱因斯坦教给我们很多：空间和时间是相连的；你永远不可能超过光速；宇宙的寿命是有限的；不同的观察者经历的时间长度也是不同的。

这就引出了一些有趣的问题。

宇宙的“年龄”

在这张由欧洲航天局普朗克探测卫星于2013年拍摄的宇宙微波背景图中显示了宇宙最古老的光线

图源：ESA

宇宙有137.7亿“岁”，但引用狭义相对论时，我们发现每个人因为速度的不同，测量的时间也不同。那么我们在地球上绕着太阳转，太阳绕着银河转，我们对时间流逝的感知应该与在其他星系行星上的人的感受不同。这样的话，我们怎么能确定宇宙的“真实”年龄呢？

这就是纠结的地方。根据狭义相对论，不同的观察者测量的时间也不同。但整个宇宙并不能完全用狭义相对论阐释。我们常用来理解宇宙物质的是广义相对论。而从广义相对论的观点来看宇宙时，就发现宇宙随时间膨胀，它过去比现在小，将来会更大。时间的某一特定时刻和宇宙的大小有着直接的联系。我们因此能够造一个“宇宙时钟”，一个130亿年来不停滴答作响的时钟。

地球在宇宙中的运动对“时钟”的运作会产生些微影响，但是根据广义相对论，这些影响可以忽略不计，进而计算出宇宙的“真实”年龄，这对于宇宙中的任何其他观察者同理。

光能够感受到时间流逝吗？

移动中的时钟走得慢一点。你在空间里移动越快，时间流逝速度就越慢。这是爱因斯坦狭义相对论最令人惊奇的结果之一，而这也把时间和空间的独特关系可视化了。这种“时间膨胀”效应在日常生活中是完全察觉不到的。只有当接近光速时，时间才会有些许变化。

所以，如果时间对你来说走得越慢，你就能越快达到光速。那么光本身呢？光速是宇宙目前的“最高限速”，那光是不是就感知不到时间呢？

可以这么说，但也不完全正确。我们对时间和空间关系的了解，主要基于狭义相对论所包含的内容。虽然理论导出了各种疯狂的结果，但它的基础是非常简单的。其中最重要的便是物理定律普遍性的概念：一个观察者的感受适用于所有观察者。

根据麦克斯韦方程组，我们知道光速是恒定的。每一个观察者，不论自身速度如何，都会测得相同的光速。

因此如果我们想把狭义相对论的知识应用到光速下的运动中，就会产生一个小麻烦。想要解答“光是如何感受时间流逝”，我们必须把自己放在一个与光束同行的参照系中。但在这个参照系中，光对我们来说是几乎静止的。

这样的事在物理定律里是不可能的，所以这样的参照系是不存在的，因此狭义相对论就不起作用了。但如果没有狭义相对论，也就无法知道空间和时间之间的关系。

这么纠结的推理得出了什么结果呢？那就是光并不能感受到时间的流逝，我们的时间概念甚至根本不能适用于光。

光连时间是什么都不知道。

双生子佯谬：谁的说法是对的？

图源：idaakasmidar.blogspot.com

一对双胞胎中其中一人坐上了能以近光速飞行的宇宙飞船，另一个人宅在家。

在宇宙飞船上的哥哥穿梭于银河系，开开心心地玩了一大圈。而宅在家里的弟弟却每天都在忙于家务。

回到地球后，意犹未尽的哥哥感觉只玩了几个礼拜，顶多两三个月而已。长是长了点儿，但没什么大不了的。宅在家里的弟弟却经历了好几年、甚至好几十年的孤单寂寞冷。

这也没什么好意外的，我们都知道物体移动得越快时间就过得越慢。宅在家里弟弟认为：是宇宙飞船以接近光速飞行，使得飞船上的钟自然就跑得比地上慢。

等等，让我们换个角度再仔细想一想。在宇宙飞船上的哥哥也可以说他才是静止的那个，是整个宇宙在以近光速相对他的飞船反向移动，因此地球上的弟弟才应该保持年轻才对。

他们当中哪一位说得对呢？

宅在家里的弟弟说的是对的。假如宇宙飞船持续以接近光速移动下去，那移动的确是相对的。他们同时会观察到对方的时间过得比自己慢。但当宇宙飞船开始减速后，这个对称性就被打破了。宇宙飞船上的那位会观察到留在地球上的弟弟随着飞船减速快速变老，体验了一把现实版的光阴似箭日月如梭。

责任编辑：王延昕

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春分日出与星轨

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Juan Carlos Casado (TWAN, Earth and Stars)

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