测量宇宙时间有没有更好的方法?

测量宇宙时间有没有更好的方法?

新浪科技讯 北京时间5月10日消息,据国外媒体报道,关于宇宙,我们可以提出许多无比宏大的问题。这些问题直击“现实究竟是什么”的核心,在历史上曾引发无数人苦思冥想。例如,“宇宙是什么?”、“宇宙有多大?”、“宇宙是永恒存在的、还是突然出现的呢?如果是后一种情况,那它是何时出现的?”这些都曾是最令人费解的哲学问题,但就在过去100年间,我们已经找到了确切、科学的答案。我们已经知道了宇宙是什么,知道了可观测宇宙的直径约为920亿光年,也知道了我们所知的宇宙开始于138亿年前,并且以上数值的不确定性只有1%左右。

但无论是对时间还是距离的衡量,我们使用的都是以地球为中心的单位,比如“年”和“光年”。有没有一种更加客观、更加通用的衡量方式呢?答案当然是“有”。就像天文学家杰瑞・贝尔所写的那样:

“为何对宇宙的计算全都要用到‘年’这个单位呢?在我看来,‘年’是个很狭义的概念。毕竟,‘年’存在的基础(即恒星)出现至今也不过几十亿年,仅占宇宙当前年龄的三分之一。就连‘光年’这个关键概念也要与这种狭义的测量单位捆绑在一起。”

这几点都说得很好,值得我们在此基础上进行延伸和思考、寻找替代方案。首先,我们要了解测量宇宙时间背后涉及到哪些科学原理。

测量宇宙时间有没有更好的方法?

虽然我们可以观察到成千上万光年、甚至数亿光年之外的宇宙,但以地球上的“年”来计算宇宙年龄、以“光年”衡量宇宙距离仍是一种“地心说”的思维。这真的是我们唯一的、甚至最佳的选择吗?

在地球上,要想理解时间流逝的概念、并利用重复出现的规律现象开展生物活动,其实只有两种方法。在较短的时间尺度上,我们有“天”的概念。而这一概念很重要,因为一天代表着日出和日落,大致对应一次完整的地球自转,还与大多数动植物的活动与休眠周期保持一致。这些现象都会日复一日地循环往复下去。

但一旦将时间尺度拉长,就能看出每一天之间的区别了。例如,在一年的时间里,日出和日落的时间会逐渐提前或推迟,白天的时长会逐渐增加或减少,太阳高度会渐渐升高或降低,四季会循环变迁,动植物和其它生物的活动也会随之改变。而这些现象又会在接下来的每一年里循环往复,几乎不会有任何变化。

这样看来,不难理解我们为何会提出围绕“天”和“年”等概念的计时体系,因为我们在地球上的生活与这些周期性现象密不可分。然而,我们在地球上经历的“天”和“年”并不能很好地对应宇宙中时间的流逝,原因有很多。

测量宇宙时间有没有更好的方法?

由于地球围绕太阳运动的轨道为椭圆形,地球在近日点时速度会加快,在远日点时速度会减慢,因此日出和日落的时间会不断变化,白天的长度也会不停增减。这些规律会以年为单位重复发生。

首先,一天的长度在地球历史上已经发生了显著改变。在月球、地球和太阳之间的相互作用下,潮汐摩擦力导致每天变得越来越长,月球也离地球越来越远。大约40亿年前,地球上的“一天”只有6至8小时,一年对应的时长超过1000天。

不过,在太阳系历史中,“年”的变化倒并不大。一年代表着地球围绕太阳完整旋转一周所需的时间。其中最大的影响因素为太阳的质量。到目前为止,太阳已经减少了相当于一整颗土星的质量,导致地球到太阳的距离稍微变远了一些,并且公转速度也略有减缓,因此“一年”的长度有所增加,不过增加的幅度很小,仅为万分之二。相当于从太阳系诞生之初到现在,每年的时长增加了两小时左右。

即使太阳系中有如此多复杂的天体物理学现象,一年的时长却几乎没有变化,因此对我们来说,“年”就是用于大尺度计时最为稳定的基准。由于光速是一个已知、且可测量的常数,“光年”作为一个距离单位,便自然而然地衍生了出来。随着时间的流逝,光年的变化也是微乎其微,数十亿年间的变化幅度仅为0.02%。

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地球轨道并不是正圆形,而是椭圆形。轨道的长轴与短轴比会不断改变。而地球转动一圈的时间决定了一年的长度,所以年的长度也会缓慢变化。

此外还有一个重要单位,不过它是在“年”的基础上间接定义而来的,也就是“秒差距”。它不仅以时间为基础,还以天文学角度和三角学为基础。在地球围绕太阳旋转过程中,即使是原地不动的恒星之间的相对位置也会发生变化,就像你的两只眼睛交替睁眼时看到的情况一样,离你更近的物体相对于远处背景物的位置似乎有所改变。

在天文学中,我们将这种现象称为“视差”,用来作为参照的长度也不是两眼之间的距离,而是地球相对于太阳的最大位置差,即地球轨道半径,约等于3亿公里。当一个天体相对于遥远背景中天体的运动角度为1角秒时,两者之间的距离便被定义为1秒差距,约等于3.26光年。

但我们凭什么将自己对时间的定义强行推广到整个宇宙中呢?这种做法很不客观,仍未脱离“地心说”思维的桎梏。无论是天还是年,都不应作为整个宇宙的时间测量单位;同理,无论是光年还是秒差距(还有相关的千秒差距、百万秒差距等等),也都不应作为整个宇宙的距离测量单位。

事实上,我们已经找到了一些更加客观、更加遵从物理学的时间定义方式。它们虽不存在“地心说”带来的种种缺陷,但也有自己的问题。你可以思考一下,自己是更喜欢这些方法、还是更喜欢目前以年为基础(也是以地球为基础)的计时方法。

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在地球围绕太阳旋转过程中,地球附近的恒星相对于遥远恒星的位置似乎会发生周期性变化。当一颗恒星的视角为1角秒(即1度角的3600分之一)时,其到地日系统的距离就刚好为1秒差距,约为3.26光年。

1)普朗克时间

有没有一种对时间的定义完全以宇宙基本常数为基础呢?答案就是“普朗克时间”。宇宙中有三大可测量的基本常数:万有引力常数G、光速c、以及量子常数h(例如约化普朗克常数)。将它们结合起来,便可创造出一个基本时间单位:(G×h÷c5)的平方根,结果为5.4×10-43,宇宙中的任何观察者都能得出同样的结论。

不过,这个时间单位只适用于极小尺度。在此尺度上,物理法则统统都会失效,因为该尺度上的量子波动不会形成粒子/反粒子对,而是会形成黑洞,没有任何物理过程能与如此小的时间尺度相匹配。要想运用普朗克单位来描述时间,哪怕只是亚原子级的物理过程,也会是个天文数字。例如,目前已知寿命最短的亚原子粒子是丁夸克,其衰变时长约为1018个普朗克时间,而传统意义上的“一年”则会超过1051个普朗克时间。所以这种计时方式本身没什么问题,就是使用起来太不方便了。

2)原子钟

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这张艺术家绘制的概念图描绘了时空的泡沫状结构,其中细小的泡泡只有原子核的十万亿分之一大。它们会不断波动、并且转瞬即逝。但它们的体积是存在下限的,一旦小于这一下限,物理学就无法再发挥作用。这个下限叫做普朗克尺度,在距离上相当于10-35米,时间相当于10-43秒。

一个有趣的事实是,所有对时间、质量和距离的定义都完全是由人类自己决定的,一秒、一克、或一米其实没有任何意义,我们只是选择将这些数值作为日常生活中的标准而已。但我们可以将这些量相互联系起来,就像刚才用三大基本常数定义普朗克时间一样。

既然如此,我们能否用原子跃迁(即电子从较高能级降到较低能级、同时释放出特定频率和波长的光线)来定义时间和距离呢?频率是时间的倒数,因此可以将 “时间”定义为光线传播一个波长所需的时长,将“距离”定义为一个波长的长度。这就是原子钟的作用机制,也是我们对秒和米定义的基础。

但这种定义依然很专断,而且大多数跃迁发生的速度都很快,时间间隔极短,不适合日常使用。例如,秒的现代定义是铯-133原子的超精细结构释放出的光子在真空中传播9,192,631,770个波长所需的时间。那么年和光年呢?用这种计时方法,得出的依然是一堆天文数字,对大多数人来说都实在太麻烦了。

3)哈勃时间

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两台原子钟的高度哪怕仅相差33厘米,钟表运行的速度也会发生显著差异。这让我们不仅可以测得引力场的强度,还能测得其梯度变化,因此可用于测量海拔/标高。原子钟以原子中的电子跃迁为基础,是人类目前最精确的计时工具。

接下来让我们走向另一个极端,从量子世界直接上升到宇宙尺度。宇宙正以一定速率不断膨胀,这个膨胀率一般被称作哈勃参数、又称哈勃常数。虽然我们一般将其写成“速度/距离”的形式,比如“71 km/s/Mpc”(即71公里/秒/百万秒差距),它也可以简单地写成时间的倒数,即2.3×10-18s-1,再将其倒过来,我们就得到了1个单位的“哈勃时间”,即4.3×1017秒,大致等于宇宙自大爆炸发生以来的年龄。

再将这一时间乘以光速,就得到了“哈勃距离”,约为1.3×1013米、或者137亿光年,约等于从地球到宇宙边缘距离的30%。

这样一番演算下来,结果似乎很理想,得出的距离尺度和时间尺度都可以与真正的宇宙规模相匹配了。但问题在于,哈勃常数并不是真正的“常数”,随着宇宙的年龄不断增加,这个数值会不断减小,而且背后的机制很复杂(取决于宇宙不同组成部分的相对能量密度)。所以这种计时理念虽然很有意思,但并不现实,因为对宇宙中的不同观察者而言,宇宙自大爆炸以来经历的时间都不尽相同,哈勃距离和哈勃时间也要做相应的调整。

4)氢原子自旋

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测量过去的时间和距离可以帮助我们预测宇宙未来的演化方向。将膨胀率与宇宙中的物质和能量联系在一起,便可得出宇宙的“哈勃时间”,但哈勃时间并不是常数,而是会随着宇宙的膨胀和时间的流逝发生改变。

到目前为止,我们的每次尝试似乎都不太适用于宇宙尺度,但不要沮丧,还有一种可能性值得思考。中性的氢原子由一个电子和一个原子核结合而成,原子核中一般只有孤零零的一个质子。当电子达到基态时,其相对于质子可能有两种配置方式。要么电子和质子的量子自旋方向相反,即分别为+?和-?;要么方向相同,即均为+?或均为-?。

若自旋方向相反,此时电子的确处于最低能态;但若自旋方向相同,那么电子的旋转方向有一定概率会发生翻转,释放出一个频率为1,420,405,751.77 Hz的光子。通过换算,这个频率对应的时间为0.7纳秒,长度约合21厘米。

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当一个氢原子形成时,其中电子和质子的自旋方向有50%的可能性相同、50%的可能性相反。如果相反,电子就不会再发生跃迁。如果相同,电子就可能跃迁到更低的能态上,释放出一个特定波长的光子,这一过程的时间尺度相当长。

最有意思之处在于,这个跃迁速度在天文学层面上其实是比较缓慢的,相当于2.9×10-15s-1。转化为宇宙时间和宇宙长度,分别得到1090万年和1090光年,约等于3.3百万秒差距。在我们已知的所有自然界基本常数中,这是最容易转化为宇宙级时间尺度和距离尺度的一个。

但最最重要的是,我们选择的时间定义无论如何都是专断的。在涉及时长或距离的问题上,不同的定义对我们得出的答案其实并没有什么影响。只要我们定义的时间间隔维持不变,这些答案在本质上就都是相同的。

测量宇宙时间有没有更好的方法?

图为我们可以观测的宇宙范围(黄圈)和可以到达的宇宙范围(紫红色)。可见宇宙半径为461亿光年,假如在过去138亿年间,有一个发光物体随着宇宙膨胀一直在远离地球,其发出的光线要想在今天刚好抵达地球,这一半径就是该物体与地球距离的上限。但就算我们能以光速飞行,我们也永远到不了180亿光年以外的星系。无论将上述距离和时间转化成什么单位,得出的结论都是相同的。

那么,不同的时间定义方式之间究竟有什么区别呢?归根到底,区别其实在于我们身为人类、理解这些定义和数字的能力。在阅读天文学文献时,你会看到以年描述的时间,还会看到以天文单位、秒差距、千秒差距、百万秒差距、甚至十亿秒差距描述的距离,具体取决于描述的对象是太阳系、恒星间、星系内、星系间、还是宇宙级距离。但由于我们是人类,我们在直觉上能够很好地理解“年”的概念,只要用年乘以光速,便可进一步得出光年的概念。这虽然不是唯一选项,却是目前为止最常用的做法。也许在目不可及的未来,人类将脱离地球的束缚、飞向遥远的外太空,到那时,我们使用的单位也将脱离“地心说”的桎梏。(叶子)

(责任编辑:马金露 HF120)

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