10.23 光年不止是长度,它与时空的秘密有关

我们在往期内容《星云中的沉与浮》中邂逅了一个意外的问题:蟹状星云距离我们6500光年,人类在公元1054年观测到它在爆发中诞生——那么蟹状星云如今有多少岁了?

这个问题并不像它看上去那样简单。

实际上,它关系到人类过去100年内对“时空”这个概念最深刻的变革:我们蜗居在一个狭小而缓慢的世界中,这让我们最基本的感官经验充满了错觉。而一旦要观察浩瀚的宇宙,我们就不得不先重新审视自己了。

光年不止是长度,它与时空的秘密有关

光年不止是长度

“光年是一种长度单位,等于光在真空惯性系中传播一年经过的距离,约9.46×1012公里”。这是初中物理和大众科普的基础内容,但在应用中,却有一些击破常识的新概念。

我们常说某个遥远的天体距离地球有很多光年,蟹状星云距离我们6500光年,人类在公元1054年观测到它在爆发中诞生——那么蟹状星云如今有多少岁?

大多数人会说是6500+2017-1054=7463岁,但事实要复杂的多——在光速的丈量下,这个宇宙的时空是另外一副模样,超越人的感官经验。

从古老的时代开始,人们就从感官经验出发建立了一种绝对观念:空间就像一个舞台,时间恒定而公平,万物登场、表演、谢幕,只有时空恒常不变,这种时空观在牛顿那里集得大成,成为整个经典物理学的根基,我们如今还在物理入门时研习它的核心概念:要谈速度先得明确参考系。

但是在19世纪末,这种时空观遇到了麻烦:麦克斯韦方程组综合了电磁学理论在当时的所有进展,其中描述磁场和电场的变化时出现了一个常数C,代表电磁波在真空中的传播速度,也就是光速——然而这个速度的参考系是什么呢?

当时的物理学仍然浸泡在绝对时空的羊水里,物理学家们相信这个参考系就是绝对空间,于是设计了一个雄心勃勃的实验:1887年,阿尔伯特·迈克耳逊和爱德华·莫雷组装了臂长32米的光学干涉仪器,试图测量地球相对于绝对空间的运动速度——然而一系列的测量结果竟然越来越接近于“0”,这太荒谬了:地球的公转速度达到3万m/s,却没有在绝对空间中运动!

到了世纪之交,经典物理学又迎来一次巨变。爱因斯坦在1905年以《论动体的电动力学》创立了狭义相对论,核心就是真空中的光速是一个定值,在任何惯性参考系中的测量结果都一样,也是宇宙中信息传播的极限速度

这里的信息不只包括日常意义上的“通讯信号”,还包括宇宙中的一切作用和变化——换句话说,任何事物的发展状态都不会比它“看”上去的样子更超前,它的任何特性都不会比它的外表更早影响到我们。

如此一来,狭义相对论就带来了一种全新的时空观:对于每一个具体的观察者,空间中的每个位置都有不同的时间,而这个时间是多少就取决于光从那里传递过来要多久

——这在日常生活中体验不到,但是在光年这样的巨大尺度上,空间和时间就再也无法割裂了:蟹状星云距离我们6500光年,对此最恰当的理解并不是我们看到了6500年之前的蟹状星云,因为这暗示了一个“现在的蟹状星云”,但那只是基于经典时空观的幻觉,没有任何物理意义;我们应该把这句话理解为,相对于我们,蟹状星云上的时间延迟了6500年,并且相对于蟹状星云,我们的时间延迟了6500年。所以我们看到的蟹状星云有963岁,他就真的有963岁——这就是狭义相对论最直接的含义。

当你仰望星空,以为那些闪耀的星光都是亘古之前的残迹?非也,那是你的双眼洞穿了光阴,宇宙的岁月像画卷一样平展在天宇之上。



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