新浪科技訊 北京時(shí)間5月10日消息，據(jù)國外媒體報(bào)道，關(guān)于宇宙，我們可以提出許多無比宏大的問題。這些問題直擊“現(xiàn)實(shí)究竟是什么”的核心，在歷史上曾引發(fā)無數(shù)人苦思冥想。例如，“宇宙是什么？”、“宇宙有多大？”、“宇宙是永恒存在的、還是突然出現(xiàn)的呢？如果是后一種情況，那它是何時(shí)出現(xiàn)的？”這些都曾是最令人費(fèi)解的哲學(xué)問題，但就在過去100年間，我們已經(jīng)找到了確切、科學(xué)的答案。我們已經(jīng)知道了宇宙是什么，知道了可觀測宇宙的直徑約為920億光年，也知道了我們所知的宇宙開始于138億年前，并且以上數(shù)值的不確定性只有1%左右。

　　但無論是對時(shí)間還是距離的衡量，我們使用的都是以地球?yàn)橹行牡膯挝?，比如“年”和“光年”。有沒有一種更加客觀、更加通用的衡量方式呢？答案當(dāng)然是“有”。就像天文學(xué)家杰瑞·貝爾所寫的那樣：

　　“為何對宇宙的計(jì)算全都要用到‘年’這個(gè)單位呢？在我看來，‘年’是個(gè)很狹義的概念。畢竟，‘年’存在的基礎(chǔ)（即恒星）出現(xiàn)至今也不過幾十億年，僅占宇宙當(dāng)前年齡的三分之一。就連‘光年’這個(gè)關(guān)鍵概念也要與這種狹義的測量單位捆綁在一起?！?/p>

　　這幾點(diǎn)都說得很好，值得我們在此基礎(chǔ)上進(jìn)行延伸和思考、尋找替代方案。首先，我們要了解測量宇宙時(shí)間背后涉及到哪些科學(xué)原理。

　　雖然我們可以觀察到成千上萬光年、甚至數(shù)億光年之外的宇宙，但以地球上的“年”來計(jì)算宇宙年齡、以“光年”衡量宇宙距離仍是一種“地心說”的思維。這真的是我們唯一的、甚至最佳的選擇嗎？

　　在地球上，要想理解時(shí)間流逝的概念、并利用重復(fù)出現(xiàn)的規(guī)律現(xiàn)象開展生物活動，其實(shí)只有兩種方法。在較短的時(shí)間尺度上，我們有“天”的概念。而這一概念很重要，因?yàn)橐惶齑碇粘龊腿章?，大致對?yīng)一次完整的地球自轉(zhuǎn)，還與大多數(shù)動植物的活動與休眠周期保持一致。這些現(xiàn)象都會日復(fù)一日地循環(huán)往復(fù)下去。

　　但一旦將時(shí)間尺度拉長，就能看出每一天之間的區(qū)別了。例如，在一年的時(shí)間里，日出和日落的時(shí)間會逐漸提前或推遲，白天的時(shí)長會逐漸增加或減少，太陽高度會漸漸升高或降低，四季會循環(huán)變遷，動植物和其它生物的活動也會隨之改變。而這些現(xiàn)象又會在接下來的每一年里循環(huán)往復(fù)，幾乎不會有任何變化。

　　這樣看來，不難理解我們?yōu)楹螘岢鰢@“天”和“年”等概念的計(jì)時(shí)體系，因?yàn)槲覀冊诘厍蛏系纳钆c這些周期性現(xiàn)象密不可分。然而，我們在地球上經(jīng)歷的“天”和“年”并不能很好地對應(yīng)宇宙中時(shí)間的流逝，原因有很多。

　　由于地球圍繞太陽運(yùn)動的軌道為橢圓形，地球在近日點(diǎn)時(shí)速度會加快，在遠(yuǎn)日點(diǎn)時(shí)速度會減慢，因此日出和日落的時(shí)間會不斷變化，白天的長度也會不停增減。這些規(guī)律會以年為單位重復(fù)發(fā)生。

　　首先，一天的長度在地球歷史上已經(jīng)發(fā)生了顯著改變。在月球、地球和太陽之間的相互作用下，潮汐摩擦力導(dǎo)致每天變得越來越長，月球也離地球越來越遠(yuǎn)。大約40億年前，地球上的“一天”只有6至8小時(shí)，一年對應(yīng)的時(shí)長超過1000天。

　　不過，在太陽系歷史中，“年”的變化倒并不大。一年代表著地球圍繞太陽完整旋轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間。其中最大的影響因素為太陽的質(zhì)量。到目前為止，太陽已經(jīng)減少了相當(dāng)于一整顆土星的質(zhì)量，導(dǎo)致地球到太陽的距離稍微變遠(yuǎn)了一些，并且公轉(zhuǎn)速度也略有減緩，因此“一年”的長度有所增加，不過增加的幅度很小，僅為萬分之二。相當(dāng)于從太陽系誕生之初到現(xiàn)在，每年的時(shí)長增加了兩小時(shí)左右。

　　即使太陽系中有如此多復(fù)雜的天體物理學(xué)現(xiàn)象，一年的時(shí)長卻幾乎沒有變化，因此對我們來說，“年”就是用于大尺度計(jì)時(shí)最為穩(wěn)定的基準(zhǔn)。由于光速是一個(gè)已知、且可測量的常數(shù)，“光年”作為一個(gè)距離單位，便自然而然地衍生了出來。隨著時(shí)間的流逝，光年的變化也是微乎其微，數(shù)十億年間的變化幅度僅為0.02%。

　　地球軌道并不是正圓形，而是橢圓形。軌道的長軸與短軸比會不斷改變。而地球轉(zhuǎn)動一圈的時(shí)間決定了一年的長度，所以年的長度也會緩慢變化。

　　此外還有一個(gè)重要單位，不過它是在“年”的基礎(chǔ)上間接定義而來的，也就是“秒差距”。它不僅以時(shí)間為基礎(chǔ)，還以天文學(xué)角度和三角學(xué)為基礎(chǔ)。在地球圍繞太陽旋轉(zhuǎn)過程中，即使是原地不動的恒星之間的相對位置也會發(fā)生變化，就像你的兩只眼睛交替睜眼時(shí)看到的情況一樣，離你更近的物體相對于遠(yuǎn)處背景物的位置似乎有所改變。

　　在天文學(xué)中，我們將這種現(xiàn)象稱為“視差”，用來作為參照的長度也不是兩眼之間的距離，而是地球相對于太陽的最大位置差，即地球軌道半徑，約等于3億公里。當(dāng)一個(gè)天體相對于遙遠(yuǎn)背景中天體的運(yùn)動角度為1角秒時(shí)，兩者之間的距離便被定義為1秒差距，約等于3.26光年。

　　但我們憑什么將自己對時(shí)間的定義強(qiáng)行推廣到整個(gè)宇宙中呢？這種做法很不客觀，仍未脫離“地心說”思維的桎梏。無論是天還是年，都不應(yīng)作為整個(gè)宇宙的時(shí)間測量單位；同理，無論是光年還是秒差距（還有相關(guān)的千秒差距、百萬秒差距等等），也都不應(yīng)作為整個(gè)宇宙的距離測量單位。

　　事實(shí)上，我們已經(jīng)找到了一些更加客觀、更加遵從物理學(xué)的時(shí)間定義方式。它們雖不存在“地心說”帶來的種種缺陷，但也有自己的問題。你可以思考一下，自己是更喜歡這些方法、還是更喜歡目前以年為基礎(chǔ)（也是以地球?yàn)榛A(chǔ)）的計(jì)時(shí)方法。

　　在地球圍繞太陽旋轉(zhuǎn)過程中，地球附近的恒星相對于遙遠(yuǎn)恒星的位置似乎會發(fā)生周期性變化。當(dāng)一顆恒星的視角為1角秒（即1度角的3600分之一）時(shí)，其到地日系統(tǒng)的距離就剛好為1秒差距，約為3.26光年。

　　1）普朗克時(shí)間

　　有沒有一種對時(shí)間的定義完全以宇宙基本常數(shù)為基礎(chǔ)呢？答案就是“普朗克時(shí)間”。宇宙中有三大可測量的基本常數(shù)：萬有引力常數(shù)G、光速c、以及量子常數(shù)h（例如約化普朗克常數(shù)）。將它們結(jié)合起來，便可創(chuàng)造出一個(gè)基本時(shí)間單位：（G×h÷c5）的平方根，結(jié)果為5.4×10-43，宇宙中的任何觀察者都能得出同樣的結(jié)論。

　　不過，這個(gè)時(shí)間單位只適用于極小尺度。在此尺度上，物理法則統(tǒng)統(tǒng)都會失效，因?yàn)樵摮叨壬系牧孔硬▌硬粫纬闪Ｗ?反粒子對，而是會形成黑洞，沒有任何物理過程能與如此小的時(shí)間尺度相匹配。要想運(yùn)用普朗克單位來描述時(shí)間，哪怕只是亞原子級的物理過程，也會是個(gè)天文數(shù)字。例如，目前已知壽命最短的亞原子粒子是丁夸克，其衰變時(shí)長約為1018個(gè)普朗克時(shí)間，而傳統(tǒng)意義上的“一年”則會超過1051個(gè)普朗克時(shí)間。所以這種計(jì)時(shí)方式本身沒什么問題，就是使用起來太不方便了。

　　2）原子鐘

　　這張藝術(shù)家繪制的概念圖描繪了時(shí)空的泡沫狀結(jié)構(gòu)，其中細(xì)小的泡泡只有原子核的十萬億分之一大。它們會不斷波動、并且轉(zhuǎn)瞬即逝。但它們的體積是存在下限的，一旦小于這一下限，物理學(xué)就無法再發(fā)揮作用。這個(gè)下限叫做普朗克尺度，在距離上相當(dāng)于10-35米，時(shí)間相當(dāng)于10-43秒。

　　一個(gè)有趣的事實(shí)是，所有對時(shí)間、質(zhì)量和距離的定義都完全是由人類自己決定的，一秒、一克、或一米其實(shí)沒有任何意義，我們只是選擇將這些數(shù)值作為日常生活中的標(biāo)準(zhǔn)而已。但我們可以將這些量相互聯(lián)系起來，就像剛才用三大基本常數(shù)定義普朗克時(shí)間一樣。

　　既然如此，我們能否用原子躍遷（即電子從較高能級降到較低能級、同時(shí)釋放出特定頻率和波長的光線）來定義時(shí)間和距離呢？頻率是時(shí)間的倒數(shù)，因此可以將 “時(shí)間”定義為光線傳播一個(gè)波長所需的時(shí)長，將“距離”定義為一個(gè)波長的長度。這就是原子鐘的作用機(jī)制，也是我們對秒和米定義的基礎(chǔ)。

　　但這種定義依然很專斷，而且大多數(shù)躍遷發(fā)生的速度都很快，時(shí)間間隔極短，不適合日常使用。例如，秒的現(xiàn)代定義是銫-133原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)釋放出的光子在真空中傳播9，192，631，770個(gè)波長所需的時(shí)間。那么年和光年呢？用這種計(jì)時(shí)方法，得出的依然是一堆天文數(shù)字，對大多數(shù)人來說都實(shí)在太麻煩了。

　　3）哈勃時(shí)間

　　兩臺原子鐘的高度哪怕僅相差33厘米，鐘表運(yùn)行的速度也會發(fā)生顯著差異。這讓我們不僅可以測得引力場的強(qiáng)度，還能測得其梯度變化，因此可用于測量海拔/標(biāo)高。原子鐘以原子中的電子躍遷為基礎(chǔ)，是人類目前最精確的計(jì)時(shí)工具。

　　接下來讓我們走向另一個(gè)極端，從量子世界直接上升到宇宙尺度。宇宙正以一定速率不斷膨脹，這個(gè)膨脹率一般被稱作哈勃參數(shù)、又稱哈勃常數(shù)。雖然我們一般將其寫成“速度/距離”的形式，比如“71 km/s/Mpc”（即71公里/秒/百萬秒差距），它也可以簡單地寫成時(shí)間的倒數(shù)，即2.3×10-18s-1，再將其倒過來，我們就得到了1個(gè)單位的“哈勃時(shí)間”，即4.3×1017秒，大致等于宇宙自大爆炸發(fā)生以來的年齡。

　　再將這一時(shí)間乘以光速，就得到了“哈勃距離”，約為1.3×1013米、或者137億光年，約等于從地球到宇宙邊緣距離的30%。

　　這樣一番演算下來，結(jié)果似乎很理想，得出的距離尺度和時(shí)間尺度都可以與真正的宇宙規(guī)模相匹配了。但問題在于，哈勃常數(shù)并不是真正的“常數(shù)”，隨著宇宙的年齡不斷增加，這個(gè)數(shù)值會不斷減小，而且背后的機(jī)制很復(fù)雜（取決于宇宙不同組成部分的相對能量密度）。所以這種計(jì)時(shí)理念雖然很有意思，但并不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)閷τ钪嬷械牟煌^察者而言，宇宙自大爆炸以來經(jīng)歷的時(shí)間都不盡相同，哈勃距離和哈勃時(shí)間也要做相應(yīng)的調(diào)整。

　　4）氫原子自旋

　　測量過去的時(shí)間和距離可以幫助我們預(yù)測宇宙未來的演化方向。將膨脹率與宇宙中的物質(zhì)和能量聯(lián)系在一起，便可得出宇宙的“哈勃時(shí)間”，但哈勃時(shí)間并不是常數(shù)，而是會隨著宇宙的膨脹和時(shí)間的流逝發(fā)生改變。

　　到目前為止，我們的每次嘗試似乎都不太適用于宇宙尺度，但不要沮喪，還有一種可能性值得思考。中性的氫原子由一個(gè)電子和一個(gè)原子核結(jié)合而成，原子核中一般只有孤零零的一個(gè)質(zhì)子。當(dāng)電子達(dá)到基態(tài)時(shí)，其相對于質(zhì)子可能有兩種配置方式。要么電子和質(zhì)子的量子自旋方向相反，即分別為+?和-?；要么方向相同，即均為+?或均為-?。

　　若自旋方向相反，此時(shí)電子的確處于最低能態(tài)；但若自旋方向相同，那么電子的旋轉(zhuǎn)方向有一定概率會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，釋放出一個(gè)頻率為1，420，405，751.77 Hz的光子。通過換算，這個(gè)頻率對應(yīng)的時(shí)間為0.7納秒，長度約合21厘米。

　　當(dāng)一個(gè)氫原子形成時(shí)，其中電子和質(zhì)子的自旋方向有50%的可能性相同、50%的可能性相反。如果相反，電子就不會再發(fā)生躍遷。如果相同，電子就可能躍遷到更低的能態(tài)上，釋放出一個(gè)特定波長的光子，這一過程的時(shí)間尺度相當(dāng)長。

　　最有意思之處在于，這個(gè)躍遷速度在天文學(xué)層面上其實(shí)是比較緩慢的，相當(dāng)于2.9×10-15s-1。轉(zhuǎn)化為宇宙時(shí)間和宇宙長度，分別得到1090萬年和1090光年，約等于3.3百萬秒差距。在我們已知的所有自然界基本常數(shù)中，這是最容易轉(zhuǎn)化為宇宙級時(shí)間尺度和距離尺度的一個(gè)。

　　但最最重要的是，我們選擇的時(shí)間定義無論如何都是專斷的。在涉及時(shí)長或距離的問題上，不同的定義對我們得出的答案其實(shí)并沒有什么影響。只要我們定義的時(shí)間間隔維持不變，這些答案在本質(zhì)上就都是相同的。

   　圖為我們可以觀測的宇宙范圍（黃圈）和可以到達(dá)的宇宙范圍（紫紅色）。可見宇宙半徑為461億光年，假如在過去138億年間，有一個(gè)發(fā)光物體隨著宇宙膨脹一直在遠(yuǎn)離地球，其發(fā)出的光線要想在今天剛好抵達(dá)地球，這一半徑就是該物體與地球距離的上限。但就算我們能以光速飛行，我們也永遠(yuǎn)到不了180億光年以外的星系。無論將上述距離和時(shí)間轉(zhuǎn)化成什么單位，得出的結(jié)論都是相同的。

　　那么，不同的時(shí)間定義方式之間究竟有什么區(qū)別呢？歸根到底，區(qū)別其實(shí)在于我們身為人類、理解這些定義和數(shù)字的能力。在閱讀天文學(xué)文獻(xiàn)時(shí)，你會看到以年描述的時(shí)間，還會看到以天文單位、秒差距、千秒差距、百萬秒差距、甚至十億秒差距描述的距離，具體取決于描述的對象是太陽系、恒星間、星系內(nèi)、星系間、還是宇宙級距離。但由于我們是人類，我們在直覺上能夠很好地理解“年”的概念，只要用年乘以光速，便可進(jìn)一步得出光年的概念。這雖然不是唯一選項(xiàng)，卻是目前為止最常用的做法。也許在目不可及的未來，人類將脫離地球的束縛、飛向遙遠(yuǎn)的外太空，到那時(shí)，我們使用的單位也將脫離“地心說”的桎梏。