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，测量据国外媒体报道，宇宙有没有更关于宇宙，时间我们可以提出许多无比宏大的测量问题。这些问题直击“现实究竟是宇宙有没有更什么”的核心，在历史上曾引发无数人苦思冥想。时间例如，测量“宇宙是宇宙有没有更什么？”、“宇宙有多大？时间”、“宇宙是测量永恒存在的、还是宇宙有没有更突然出现的呢？如果是后一种情况，那它是时间何时出现的？”这些都曾是最令人费解的哲学问题，但就在过去100年间，测量我们已经找到了确切、宇宙有没有更科学的时间答案。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。

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。

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%。

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。

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

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

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

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+½和-½；要么方向相同，即均为+½或均为-½。

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。

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。

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）