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如何“脱离地球”更精确地测量宇宙时间?

时间:2022-04-24 20:32来源: 作者:admin 点击: 27 次
出于某些原因,当我们谈及恒星、星系和宇宙的年龄时,通常使用“年”进行测量和描述,我们是否有更好的方法来测量宇宙时间?现今,我们可以追溯 138 亿年前发生的大爆炸事件,观测到宇宙体积延伸至 461 光年,但是像“年”和“光年”这样的单位不仅是完全随意、以地球为中心,并且从地球历史上讲,这些单位甚至没

出于某些原因,当我们谈及恒星、星系和宇宙的年龄时,通常使用“年”进行测量和描述,我们是否有更好的方法来测量宇宙时间

现今,我们可以追溯 138 亿年前发生的大爆炸事件,观测到宇宙体积延伸至 461 光年,但是像“年”和“光年”这样的单位不仅是完全随意、以地球为中心,并且从地球历史上讲,这些单位甚至没有一致的定义。也许有更好的方法来测量时间,尤其是对宇宙而言,但每种方法都存在着缺点。

关于宇宙,我们可以提出许多宏观的问题,但这是人类历史上最令人费解的谜团之一,例如:“宇宙是什么?宇宙有多大?它是永恒不变的,还是突然形成的,如果是的话,是什么时候诞生的?”这些问题曾是哲学谜团之一,但过去 100 年提供了坚定的科学答案。现今基于先进的天文勘测设备,我们知道宇宙是什么,但迄今我们所观测的仅是直径 922 亿光年宇宙的一小部分;我们知道大爆炸事件,这是宇宙开始的标志性事件,大约发生在 138 亿年前,但准确的发生时间仍有 1% 的不确定性。

然而,为什么我们测量宇宙时间和距离的所有方法都使用以地球为中心的单位呢?例如:“年”和“光年”,难道没有一种更好、更客观、更普遍的方法来实现吗?答案是肯定有的,至少科学家杰瑞・贝尔(Jerry Bear)是这样认为的。

贝尔指出,为什么宇宙学计算,例如:宇宙年龄和大小,要广泛地使用狭隘的、与 “年”相关的参数呢?客观地讲,将地球一年的时间概念作为一种宇宙衡量标准是较狭隘的,光年这个概念仅与宇宙区域测量有关。

以上测量标准都是很好的观点,但我们需要进一步扩展和思考,寻找一些替代性标准,让我们来看一下测量宇宙时间背后的科学吧!

在地球上,只有两种方法来理解时间流逝的概念,这两种方法都是利用定期重现的现象,这些现象不仅对人类活动至关重要,而且对所有生物活动都至关重要,在较短的时间尺度上,我们有“天”的概念,这是很重要的,原因如下:

一天标志着日出和日落,大致与地球绕地轴一个完整自转周期相对应,同时,一天的时间与大多数植物和动物经历昼夜活动和休眠的时间相对应,所有这些现象都在接下来的一天时间内重复出现,在接下来的几天里,或许会出现实质性差异,如果我们等待的时间足够长,这些差异就会重复出现,在一年时间里,日子会以各种方式发生变化,其中包括:日出和日落的时间提前和延迟,白天时间的增加和减少,太阳在地平线之上的最大高度和最小高度,以及季节变化周期、植物和动物生活周期等。但从一年的时间角度来讲,几乎没有变化,几年内重复循环出现。

基于以上分析,我们就很容易理解为什么人们会提出一些基于“日”和“年”等概念的计时系统,因为我们在这颗星球上的活动与这些周期性循环密切相关。但通过仔细观察,出于各种原因,我们在地球上所经历的日和年的概念并不能很好地转化为一组标记时间流逝的通用公式。

首先,在地球历史上,一天的持续时间已经生了巨大变化,当月球、地球和太阳相互作用时,潮汐摩擦现象会导致一天的时间变长,月球会以螺旋方式逐渐远离地球,大约 40 亿年前,地球的“一天”时间仅持续 6-8 个小时,一年有 1000 多天。

然而,一年的变化,或者说地球绕太阳公转一周所需的时间,纵观太阳系历史仅存在少许变化。变化的最大因素是太阳质量改变,迄今为止,太阳已损失了相当于土星的质量,该变化将促使地球被推向距离太阳更远的区域,并导致它的轨道运行速度随着时间推移略慢一些,这将导致一年的时间变长,但仅是略微延长 —— 大约延长万分之二,这相当于从太阳系诞生至今,一年的时间延长了大约 2 个小时。

但是为什么我们要将地球的计时概念延伸应用于整个宇宙,以及将其他星系中行星环绕主恒星的任意运动联系起来呢?这是不客观的,也不是绝对的,而且除了以地球为中心的计时标准之外,再也没什么用。天和年都不是普遍适用宇宙的时间度量单位,光年和秒差距(或者相关单位,例如:千秒差距、百万秒差距或者兆秒差距)都不是普遍适用的距离度量单位。

有趣的是,有一些方法可以更客观、理物理地定义时间,而且它们不会像以地球为中心的定义那样存在缺陷,但是我们也有一些很好的理由不使用这些时间度量,因为每一个度量都有其优点和缺点,如果你要对某种方法使用进行论证的话,以下有一些可以考虑的选择,人们可以从太阳系历史角度进行分析,判断这些方法是否比现在以年为基础(实际上是以地球为中心的计时标准)的计时系统更好或者更差。

即使太阳系发生了复杂的天体物理变化,地球一年的持续时间仍可能是一种有效且稳定的衡量标准,我们可以使用该计时标准确定与地球相关的时间计数。由于光速是一个已知且可测量的常数,因此“光年”就作为一个推导出来的距离单位出现了,而且随时间变化光年的计时标准仅发生很小变化,在过去数十亿年的时间里,准确率一直保持在 99.98% 左右。

有时,我们会使用另一个重要计时定义,虽然它是间接的,但也是基于地球环绕太阳运行一年的定义 —— 秒差距,它不是仅基于时间,而是基于天文角度和三角学原理。当地球环绕太阳运行,相对一颗“未移动恒星”的视位置,就出现了位置变化,人们可以做一个简单的测试 —— 只睁开左眼,然后交替睁开右眼,就会发现较近的物体相对于较远的背景物体会出现“位移”。

在天文学领域,我们称该现象为“视差”,我们使用地球相对于太阳位置的最大距离来代替人类左右眼之间的距离,地日轨道直径大约 3 亿公里,一个天体相对于遥远背景移动 1 弧秒(1/3600 度),将被定义为一个秒差距:大约 3.26 光年。以下是“脱离地球”的几种宇宙计时系统:

1、普朗克时间

你是在寻找一个除宇宙基本常数之外不依赖任何规律的时间定义吗?如果取三个最基本、可测量的自然常数,你可能会考虑到普朗克时间。

万有引力常数 G,光速 c,以及量子常数(即简化的普朗克常数)h,将它们结合起来,就可能得出一个基本的时间单位。虽然这对应于一个有趣的宇宙范围,因为该等级的量子起伏不会形成粒子 / 反粒子成对化,但对于黑洞则不同,目前没有相关的物理过程对应于黑洞的时间变化。普朗克时间非常小,这意味着我们甚至需要天文数字等级的普朗克时间来描述亚原子过程,例如:顶夸克,这是目前已知寿命最短的亚原子粒子,其衰变时间大约 10^18 普朗克时间,一年的时间相当于 10^51 普朗克时间,这一时间标准并没有什么“错”,但它确实不符合直觉。

2、原子钟

这是一个有趣、但令人不易接受的事实:所有关于时间、质量和距离的定义都是“非常随意”的,1 秒、1 克、1 公斤或者 1 米,都没有实质意义,我们只是选择这些价值标准作为人们日常生活中使用的规范常数。然而,我们确实有一些方法可以将这些选择的量联系起来 —— 通过三个基本常数万有引力常数 G,光速 c,以及量子常数 h,我们用它来定义普朗克时间,如果你对时间或者距离进行定义,例如:光速可以作为另一种衡量单位。

那么,为什么不选择一个特定的原子跃迁来定义时间和距离呢?在原子跃迁过程中,电子从一个能级降至另一个能级,并释放特定频率和波长的光线,以此来确定时间和距离范围。频率仅是一个反比延时概念,所以人们能通过测量一个波长光线经过的时间来获得一个“时间”单位,同时,可以通过波长定义“距离”,这就是原子钟的工作原理,它也可以用于定义秒和米。

但这是一个任意定义,许多时间变转太快,其时间间隔太小,不适用于日常的计时标准。例如:现代科学界对秒的定义是:一个铯-133 原子超精细结构释放的光子在真空中 9192631770 个波长周期。

3、哈勃时间

如果我们从另一个角度出发,而不是使用基于量子特性的更小常数,上升至宇宙尺度等级,将会怎样呢?宇宙以特定的速率膨胀 —— 宇宙膨胀率,该指数经常被称为哈勃参数或者哈勃常数。虽然我们通常将它描述为一种速度-距离单位,例如:哈勃常数描述为“71 km / s / Mpc”,它也可以简单地描述为一种逆比时间:2.3 × 10^-18 逆秒,如果我们将其转换为时间,就会得到一个计时单位 ——“哈勃时间”,相当于 4.3 × 10^17 秒,大约是宇宙自大爆炸以来的年龄。

如果我们使用光速来计算哈勃时间,就会得出“哈勃距离”为 1.3 × 10^26 米,或者说是 137 亿光年。这是一种宇宙宏观参数,我们可以使用距离单位和时间单位来研究真正意义上的宇宙尺度。

不幸的是,这样存在一个大问题:哈勃常数并不是一个随时间变化的常数,而是随着宇宙年龄的增长,以一种复杂的方式不断下降,具体取决于宇宙中所有不同成分的相对能量密度。

4、氢原子自旋翻转跃迁

长期以来,我们试图寻找一个更好的宇宙时间定义,有一种方法值得考虑:整个宇宙中最常见的量子跃迁。无论任何时候形成的中性氢,它的形成都是一个电子结合在原子核上,而原子核几乎总是一个单独、裸露的质子,当电子到达基态时,相对于质子的构型将出现两种可能性。

电子或者质子要么反方向量子自旋,即其中一个自旋 + 1 / 2,另一个就是自旋-1 / 2;要么就是同方向量子自旋,即电子和质子都是自旋 + 1 / 2 或者自旋-1 / 2。如果自旋是反向排列,那么就处于最低能态;如果自旋是正向排列,那么电子旋转就有一定概率是自发翻转,释放一个特定频率的独特光子,该频率为 1420405751.77 赫兹。

有趣的是,氢原子自旋跃迁速率较慢,相当于 2.9× 10^-15 逆秒,如果我们将它转换成宇宙时间和宇宙长度标准,就相当于 1090 万年和 1090 万光年,相当于大约 330 万秒差距。

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