宇宙探秘之关于时间的“幻觉”

□ 赵 爽

“在很久以前……”这是每个好故事都会出现的开头，但是关于时间的故事是什么?

人们说“时光荏苒”、“时间就是金钱”、“我们浪费时间”、“消磨时间”、“我们试图节省时间”……，但是我们真正了解时间吗?

过去，人们认为时间是绝对的，它就像一条奔流不息的大河，从过去到现在，再到未来，对于河中泛舟而行的我们来说都是完全一样的。但是，我们在过去一个世纪中的发现证明这种认识可能并不正确，事实证明时间可以“减慢”或者“加速”。也许，我们对于时间的大部分认识只是种幻想，与我们的常识相反，也许时间根本没有流动——我们的过去不会消失，我们的未来也许已经存在。但是事情怎么会这样？我们对于熟悉的事物怎会错的如此离谱?假如时间不是我们想象的那样，那么它会是怎样的?接下来，让我们一起探索。

日晷

对于时间的认识从测量它开始

如何着手去解开时间这个深奥难懂的谜团?我们首先想到的一种方法就是测量它。几千年前，人类就开始测量时间,并在随后的日子里创造了各种不同形状、尺寸和样式的钟。

第一个可以称之为“钟”的物体是地球，它每天只会“滴答”一声。地球日复一日地绕着地轴旋转，因此地球的运动规律可以用来度量时间。我们一直在寻找各种具有周期性运动规律的事物，然后利用这种具有周期性的事物作为时钟。通过一个日晷测量地球的运动，我们将一天分为小时；根据钟摆的摆动，我们将小时划分为分钟和秒；根据石英晶体的振动，我们把时间的测量精度提高到千分之一秒。当然，如果要问目前世界上最精确的钟是什么，那可要数大名鼎鼎的铯原子钟了。当一个铯原子被外界的能量轰击时，它发生振动并向外发出频率为9192631770Hz脉冲信号。换句话说，每当铯原子震荡9192631770次后，一秒钟就过去了。这个精度是非常惊人的，每隔几个月，我们的手表就会走快或走慢一秒，但是对于铯原子钟，几千万年内才可能走快或走慢一秒钟。

几百年来，我们一直在谋求通过一种更精确的时间测量手段代替另一种时间测量手段，并带来了人类文明的进步，从而为我们的生活带来了翻天覆地的变化。比如，现在已经广泛应用的GPS等全球卫星导航系统，其空间段卫星的核心部件就是用来授时的原子钟。因为卫星导航系统定位的基本原理，就是通过计算4颗以上的卫星到用户手中接收机的信号传输时间，再乘以光速得到用户与这些卫星的距离，从而计算出用户的位置的。

爱因斯坦改变了我们对于时间的认识

不管我们的时钟变的多精确，时间仍然很神秘。时钟能告诉我们现在是什么时间，但是它们不能告诉我们时间的本质。一直以来，人们都认为时间是绝对的，不会减慢也不会加速，只是在均速的滴答声中流逝。“时间是宇宙的一种永恒不变的性质，时间总是以同样的速度改变，时间不随外物而变”，这是由现代科学之父艾萨克·牛顿做出的对于时间的常识性描述。不过，在20世纪初，一个叫阿尔伯特·爱因斯坦的年轻人改变了人们的看法。

在爱因斯坦的理论中，每个人都有自己的时间，每个人的时间都以不同的速率运行。也就是说，没有所谓的宇宙标准时间，事实上宇宙有各种不同的时间。爱因斯坦所指出的是，在空间的运动和时间的流逝之间有一种极为微妙而又深远的联系，空间的运动会影响时间的流动。举个例子,如果我就站在你面前，如果不动，你会觉得我是静止的，这样其实并不全面，因为在空间上我是静止的，但是在时间上我却是运动的，比如至少你看到了我的表还在走。接下来，如果我向你走来，那么会发生什么呢？按照爱因斯坦的理论，在你看来，我的表会走慢了，当然这种变化你是察觉不到的，因为我运动的速度太慢了。如果我是以接近光的速度朝你接近，那这种现象将非常明显，这就是著名的“钟慢”效应。

对于正在移动的人，时间变慢了，这看起来匪夷所思了。在爱因斯坦之前，没有人曾预见过这种事情可能会发生。我们在日常生活中没有看到过这样的事情，只是因为在地球上这么慢的速度下，动作对时间的影响太小了，以至于我们没有察觉，但这些影响是真实的，并且能被测量。为了验证这个现象，所需要的就是两个原子钟和一架喷气式飞机，而这个实验在1971年已经做过。科学家让一个原子钟绕地球飞行，然后和地上的那个原子钟比较。就像爱因斯坦预测的那样，这两个钟不再相互一致，虽然两者之间的时间差只有几千亿分之一秒，但这非常有力地证明了运动对于时间流动的影响。

些许有些人会觉得爱因斯坦对于时间的理论离我们的日常生活太远，就算它是正确的，但是对于我们的日常生活没有实际的应用价值。可是，实际上，爱因斯坦的相对论已经在我们的生活中广泛应用了。还以前文的GPS系统为例，在十几年前，GPS还是高尖端的东西，而现在它已进入了普通人家，现在只要花几百块钱买一个带GPS的手机，就可以随时知道自己在地球上的准确位置。前文已经提到，GPS是时间测距系统，通过测量从GPS卫星到用户的信号传播时间再乘以光速来测量卫星到用户的距离，而由于卫星的位置是已知的，因此最终计算出用户的位置。所以，时间计量是GPS系统工作的根本。GPS卫星以每小时14000千米的速度绕地球飞行。根据狭义相对论，当物体运动时，时间会变慢，运动速度越快，时间就越慢。因此在地球上看GPS卫星，它们携带的时钟要走得比较慢，用狭义相对论的公式可以计算出，每天慢大约7微秒。而GPS卫星位于距离地面大约2万千米的太空中。根据广义相对论，物质质量的存在会造成时空的弯曲，质量越大，距离越近，就弯曲得越厉害，时间则会越慢。受地球质量的影响，在地球表面的时空要比GPS卫星所在的时空更加弯曲，这样，从地球上看，GPS卫星上的时钟就要走得比较快，用广义相对论的公式可以计算出，每天快大约45微秒。在同时考虑了狭义相对论和广义相对论后，GPS卫星时钟每天还要快上大约38微秒，这似乎微不足道，但是不要忘了测量距离=时间×速度，如果把38微妙乘以光速那么距离误差将达到10千米以上，那GPS就没有意义了。正是考虑到这一影响，并加以修正，GPS系统才得以良好工作并为我们的生活带来了巨大便利。

铯原子被外界的能量轰击后向外辐射脉冲信号

采用时间测距原理的卫星导航系统,每次定位解算至少需要四颗卫星

过去、现在和将来也许“就在那儿”

当发现了时间和空间之间这意想不到的关系之后，爱因斯坦意识到时间和空间再也不能被单独地看作是独立的事物了，时间和空间是互相联系的，因此被称为“时空”。这种将时间和空间互相联系的想法，使爱因斯坦领悟了世上最离奇费解的一个结论：也许，我们对于时间的大部分认识只是种幻想，与我们的常识相反，也许时间根本没有流动——我们的过去不会消失，我们的未来也许已经存在。

为了便于理解这个结论，我们把时间想象成一系列的快照或者时刻，所有发生的事情都可以被看来是一个快照的合集，一张一张地打开，依次呈现。然后我们再来考虑一些看起来简单的定义，比如“现在”，它将带有主观性。对于正在读这篇文章的读者你来说，也许你办公室墙上的挂钟正在嘀嗒地走着，对面一家民宅中一只花猫正在跳下窗台，远处一只白鸽正在天空飞过，再远一点一个流星刚刚撞上了月球，宇宙中的某个角落一个恒星正发生了爆炸，这些事情以及其他此时此刻正在发生的、但在我们宇宙的不同地方发生的事情，共同组成了你所直观认为的“现在”。你可以把它们描述为时空中的一个切片，我们姑且称它为“现在切片”。我、你以及其他所有人现在发生的、或存在的，都与“现在切片”上的记载相符，时间就这样一个瞬间接着一个瞬间地过去。这就是说，对于一个特定的“现在切片”，我们都清楚什么正在进行。

跨越时空对话的两位科学巨匠——牛顿（左）与爱因斯坦（右）

时间上的“现在切片”

移动造成了“现在切片”的不同，只要距离足够远，即使是低速移动的外星人也将可以“看到”我们的过去和未来

但爱因斯坦表示，奇怪的是，当你把动作考虑进去的话，这个对于时间的常识性的认识就不再适用了。为了便于理解，可以把时空想象成一块面包，既然有不同的方式去把一块面包分成几片，同样也应该有不同的方式分割时空，来把它分成一个个“现在切片”。按照爱因斯坦的观点，动作影响时间的流动，关于现在正发生什么，移动的人将有不同的认识。换句话说，移动中的人将通过不同的角度，在时空上切出了不同的“现在切片”。为了感受一下这异乎寻常的现象,我们可以假设这样一个例子:有一个外星人,它住在一个距离地球100亿光年的星系上,还有一个人在地球上，正坐在加油站旁边。现在，如果他们都坐着，相互之间没有移动，他们的钟以相同的频率报时，因此他们有着一样的“现在切片”，打个比方也就是一片直着切的面包薄片。但如果外星人骑上它的自行车，并且向远离地球的方向骑，那么会发生什么变化呢？注意，由于动作减慢了时间的流动，他们的钟再也不将以相同的频率报时，而如果他们的钟不再保持一致，他们所在的“现在切片”，也不再一样了。尽管外星人的“现在切片”的角度可能朝着过去偏了一点点，但跨越100亿光年，这个小角度可以造成时间上巨大的影响。所以外星人能在他倾斜的“现在切片”上发现，他所认为的正在地球上发生的事情，已经不再包括我们在加油站的朋友了，可能已经是几十年前当我们的朋友还是一个宝宝时的地球，或者甚至更远，那时秦始皇还在修长城。也就是说，外星人的“现在切片”回到了过去。同理，如果这位外星人调转车头，驶向地球，他所在的“现在切片”将以新的角度朝向地球的未来，可能外星人看到我们地球上的那位朋友的孙女都成为奶奶了。

上面的例子告诉我们，过去、现在、未来都同样是真实的，它们全都存在。就像我们思考所有的空间“就在那儿”一样，我们也应该考虑所有的时间也是“就在那儿”。

用电脑虚拟的宇宙飞船绕黑洞想象图

虫洞的原理图，可以看到，虫洞是连接过去与未来时空的“桥梁”

“穿越时空”的那点事儿

我们所感觉到的时间流动，也许就只是一个幻觉。但是，如果时间像一条冰封的河流永不流动，并且所有的时间“就在那儿”，那么旅行到未来或者过去会成为可能吗?

尽管到现在，除了好莱坞之外没有人能“制造”出时间机器，但理论上时间旅行还是可能实现的。穿越时间的一种方法是充分地利用引力的奇特性质。这种让我们脚贴地的熟悉力量，能对时间产生深远的影响。那么怎样利用引力来造个时间机器呢?爱因斯坦的理论说明，引力就像运动能影响时间，就好像引力能拖住时间，减慢时间的流逝，而且引力越强时间流逝的越慢。在地球上，这个影响不易引起人们的注意，但它却是真实存在的。和住在摩天大楼顶部的人相比，住在大楼底部的人会觉得时间的流逝较慢一些，这是因为靠近地面的引力会比楼顶的引力稍强。但是如果你能到达黑洞，引力对时间的影响将变得很大。黑洞具有巨大的引力，其引力强过地球的百万甚至十亿倍。如果有人看到你接近一个黑洞，他们可以看到时间显著地减慢。当接近黑洞时，你会发现你与朋友相隔变远，移动、讲话变慢，生物学上的变老也会减慢。对他们来说几年过去了，但对你可能只是几分钟。所以，如果能够乘飞船绕黑洞附近飞上几个小时再回来，可能你就到达未来了。

如果说理论上，人们可以穿梭时空到未来，那么如何穿越到过去呢?利用爱因斯坦方程所预测的一些东西，也就是虫洞，穿越到过去也是可能的。如果虫洞存在，它们就像一种时空的捷径，不仅仅是一种连接两个地方的隧道，也是连接两个时间的隧道。一个虫洞可以连接一部分时空到另一部分，即更早的时空，就像一种穿越时间的地铁系统。

不过，自从上个世纪30年代由爱因斯坦及纳森·罗森在研究引力场方程时假设提出，一直到现在,虫洞的存在性始终没有获得证明。而且关于穿越时空，这里也有一个逻辑上问题。如果假设真的在未来可以实现穿越时空，那为什么我们没有被来自未来的人蹂躏?为什么我们从未看到过任何勇敢的时空旅行者，穿越到我们的世界？因此，从逻辑上看，许多人猜测穿越到过去是不可能的。不过，至少在数学上尚未排除这种可能。