也許有更好的方法來測量時(shí)間，尤其是對(duì)宇宙而言，但每種方法都存在著缺點(diǎn)。

關(guān)于宇宙，我們可以提出許多宏觀的問題，但這是人類歷史上最令人費(fèi)解的謎團(tuán)之一，例如：“宇宙是什么？宇宙有多大？它是永恒不變的，還是突然形成的，如果是的話，是什么時(shí)候誕生的？”這些問題曾是哲學(xué)謎團(tuán)之一，但過去100年提供了堅(jiān)定的科學(xué)答案?，F(xiàn)今基于先進(jìn)的天文勘測設(shè)備，我們知道宇宙是什么，但迄今我們所觀測的僅是直徑922億光年宇宙的一小部分；我們知道大爆炸事件，這是宇宙開始的標(biāo)志性事件，大約發(fā)生在138億年前，但準(zhǔn)確的發(fā)生時(shí)間仍有1%的不確定性。

然而，為什么我們測量宇宙時(shí)間和距離的所有方法都使用以地球?yàn)橹行牡膯挝荒兀坷纾骸澳辍焙汀肮饽辍?，難道沒有一種更好、更客觀、更普遍的方法來實(shí)現(xiàn)嗎？答案是肯定有的，至少科學(xué)家杰瑞·貝爾（Jerry Bear）是這樣認(rèn)為的。

貝爾指出，為什么宇宙學(xué)計(jì)算，例如：宇宙年齡和大小，要廣泛地使用狹隘的、與 “年”相關(guān)的參數(shù)呢？客觀地講，將地球一年的時(shí)間概念作為一種宇宙衡量標(biāo)準(zhǔn)是較狹隘的，光年這個(gè)概念僅與宇宙區(qū)域測量有關(guān)。

以上測量標(biāo)準(zhǔn)都是很好的觀點(diǎn)，但我們需要進(jìn)一步擴(kuò)展和思考，尋找一些替代性標(biāo)準(zhǔn)，讓我們來看一下測量宇宙時(shí)間背后的科學(xué)吧！

在地球上，只有兩種方法來理解時(shí)間流逝的概念，這兩種方法都是利用定期重現(xiàn)的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象不僅對(duì)人類活動(dòng)至關(guān)重要，而且對(duì)所有生物活動(dòng)都至關(guān)重要，在較短的時(shí)間尺度上，我們有“天”的概念，這是很重要的，原因如下：

一天標(biāo)志著日出和日落，大致與地球繞地軸一個(gè)完整自轉(zhuǎn)周期相對(duì)應(yīng)，同時(shí)，一天的時(shí)間與大多數(shù)植物和動(dòng)物經(jīng)歷晝夜活動(dòng)和休眠的時(shí)間相對(duì)應(yīng)，所有這些現(xiàn)象都在接下來的一天時(shí)間內(nèi)重復(fù)出現(xiàn)，在接下來的幾天里，或許會(huì)出現(xiàn)實(shí)質(zhì)性差異，如果我們等待的時(shí)間足夠長，這些差異就會(huì)重復(fù)出現(xiàn)，在一年時(shí)間里，日子會(huì)以各種方式發(fā)生變化，其中包括：日出和日落的時(shí)間提前和延遲，白天時(shí)間的增加和減少，太陽在地平線之上的最大高度和最小高度，以及季節(jié)變化周期、植物和動(dòng)物生活周期等。但從一年的時(shí)間角度來講，幾乎沒有變化，幾年內(nèi)重復(fù)循環(huán)出現(xiàn)。

基于以上分析，我們就很容易理解為什么人們會(huì)提出一些基于“日”和“年”等概念的計(jì)時(shí)系統(tǒng)，因?yàn)槲覀冊(cè)谶@顆星球上的活動(dòng)與這些周期性循環(huán)密切相關(guān)。但通過仔細(xì)觀察，出于各種原因，我們?cè)诘厍蛏纤?jīng)歷的日和年的概念并不能很好地轉(zhuǎn)化為一組標(biāo)記時(shí)間流逝的通用公式。

首先，在地球歷史上，一天的持續(xù)時(shí)間已經(jīng)生了巨大變化，當(dāng)月球、地球和太陽相互作用時(shí)，潮汐摩擦現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致一天的時(shí)間變長，月球會(huì)以螺旋方式逐漸遠(yuǎn)離地球，大約40億年前，地球的“一天”時(shí)間僅持續(xù)6-8個(gè)小時(shí)，一年有1000多天。

然而，一年的變化，或者說地球繞太陽公轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間，縱觀太陽系歷史僅存在少許變化。變化的最大因素是太陽質(zhì)量改變，迄今為止，太陽已損失了相當(dāng)于土星的質(zhì)量，該變化將促使地球被推向距離太陽更遠(yuǎn)的區(qū)域，并導(dǎo)致它的軌道運(yùn)行速度隨著時(shí)間推移略慢一些，這將導(dǎo)致一年的時(shí)間變長，但僅是略微延長——大約延長萬分之二，這相當(dāng)于從太陽系誕生至今，一年的時(shí)間延長了大約2個(gè)小時(shí)。

但是為什么我們要將地球的計(jì)時(shí)概念延伸應(yīng)用于整個(gè)宇宙，以及將其他星系中行星環(huán)繞主恒星的任意運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來呢？這是不客觀的，也不是絕對(duì)的，而且除了以地球?yàn)橹行牡挠?jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)之外，再也沒什么用。天和年都不是普遍適用宇宙的時(shí)間度量單位，光年和秒差距（或者相關(guān)單位，例如：千秒差距、百萬秒差距或者兆秒差距）都不是普遍適用的距離度量單位。

有趣的是，有一些方法可以更客觀、理物理地定義時(shí)間，而且它們不會(huì)像以地球?yàn)橹行牡亩x那樣存在缺陷，但是我們也有一些很好的理由不使用這些時(shí)間度量，因?yàn)槊恳粋€(gè)度量都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，如果你要對(duì)某種方法使用進(jìn)行論證的話，以下有一些可以考慮的選擇，人們可以從太陽系歷史角度進(jìn)行分析，判斷這些方法是否比現(xiàn)在以年為基礎(chǔ)（實(shí)際上是以地球?yàn)橹行牡挠?jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)）的計(jì)時(shí)系統(tǒng)更好或者更差。

即使太陽系發(fā)生了復(fù)雜的天體物理變化，地球一年的持續(xù)時(shí)間仍可能是一種有效且穩(wěn)定的衡量標(biāo)準(zhǔn)，我們可以使用該計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)確定與地球相關(guān)的時(shí)間計(jì)數(shù)。由于光速是一個(gè)已知且可測量的常數(shù)，因此“光年”就作為一個(gè)推導(dǎo)出來的距離單位出現(xiàn)了，而且隨時(shí)間變化光年的計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)僅發(fā)生很小變化，在過去數(shù)十億年的時(shí)間里，準(zhǔn)確率一直保持在99.98%左右。

有時(shí)，我們會(huì)使用另一個(gè)重要計(jì)時(shí)定義，雖然它是間接的，但也是基于地球環(huán)繞太陽運(yùn)行一年的定義——秒差距，它不是僅基于時(shí)間，而是基于天文角度和三角學(xué)原理。當(dāng)?shù)厍颦h(huán)繞太陽運(yùn)行，相對(duì)一顆“未移動(dòng)恒星”的視位置，就出現(xiàn)了位置變化，人們可以做一個(gè)簡單的測試——只睜開左眼，然后交替睜開右眼，就會(huì)發(fā)現(xiàn)較近的物體相對(duì)于較遠(yuǎn)的背景物體會(huì)出現(xiàn)“位移”。

在天文學(xué)領(lǐng)域，我們稱該現(xiàn)象為“視差”，我們使用地球相對(duì)于太陽位置的最大距離來代替人類左右眼之間的距離，地日軌道直徑大約3億公里，一個(gè)天體相對(duì)于遙遠(yuǎn)背景移動(dòng)1弧秒（1/3600度），將被定義為一個(gè)秒差距：大約3.26光年。以下是“脫離地球”的幾種宇宙計(jì)時(shí)系統(tǒng)：

1、普朗克時(shí)間

你是在尋找一個(gè)除宇宙基本常數(shù)之外不依賴任何規(guī)律的時(shí)間定義嗎？如果取三個(gè)最基本、可測量的自然常數(shù)，你可能會(huì)考慮到普朗克時(shí)間。

萬有引力常數(shù)G，光速c，以及量子常數(shù)（即簡化的普朗克常數(shù)）h，將它們結(jié)合起來，就可能得出一個(gè)基本的時(shí)間單位。雖然這對(duì)應(yīng)于一個(gè)有趣的宇宙范圍，因?yàn)樵摰燃?jí)的量子起伏不會(huì)形成粒子/反粒子成對(duì)化，但對(duì)于黑洞則不同，目前沒有相關(guān)的物理過程對(duì)應(yīng)于黑洞的時(shí)間變化。普朗克時(shí)間非常小，這意味著我們甚至需要天文數(shù)字等級(jí)的普朗克時(shí)間來描述亞原子過程，例如：頂夸克，這是目前已知壽命最短的亞原子粒子，其衰變時(shí)間大約10^18普朗克時(shí)間，一年的時(shí)間相當(dāng)于10^51普朗克時(shí)間，這一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)并沒有什么“錯(cuò)”，但它確實(shí)不符合直覺。

2、原子鐘

這是一個(gè)有趣、但令人不易接受的事實(shí)：所有關(guān)于時(shí)間、質(zhì)量和距離的定義都是“非常隨意”的，1秒、1克、1公斤或者1米，都沒有實(shí)質(zhì)意義，我們只是選擇這些價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)作為人們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫囊?guī)范常數(shù)。然而，我們確實(shí)有一些方法可以將這些選擇的量聯(lián)系起來——通過三個(gè)基本常數(shù)萬有引力常數(shù)G，光速c，以及量子常數(shù)h，我們用它來定義普朗克時(shí)間，如果你對(duì)時(shí)間或者距離進(jìn)行定義，例如：光速可以作為另一種衡量單位。

那么，為什么不選擇一個(gè)特定的原子躍遷來定義時(shí)間和距離呢？在原子躍遷過程中，電子從一個(gè)能級(jí)降至另一個(gè)能級(jí)，并釋放特定頻率和波長的光線，以此來確定時(shí)間和距離范圍。頻率僅是一個(gè)反比延時(shí)概念，所以人們能通過測量一個(gè)波長光線經(jīng)過的時(shí)間來獲得一個(gè)“時(shí)間”單位，同時(shí)，可以通過波長定義“距離”，這就是原子鐘的工作原理，它也可以用于定義秒和米。

但這是一個(gè)任意定義，許多時(shí)間變轉(zhuǎn)太快，其時(shí)間間隔太小，不適用于日常的計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。例如：現(xiàn)代科學(xué)界對(duì)秒的定義是：一個(gè)銫-133原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)釋放的光子在真空中9192631770個(gè)波長周期。

3、哈勃時(shí)間

如果我們從另一個(gè)角度出發(fā)，而不是使用基于量子特性的更小常數(shù)，上升至宇宙尺度等級(jí)，將會(huì)怎樣呢？宇宙以特定的速率膨脹——宇宙膨脹率，該指數(shù)經(jīng)常被稱為哈勃參數(shù)或者哈勃常數(shù)。雖然我們通常將它描述為一種速度-距離單位，例如：哈勃常數(shù)描述為“71 km/s/Mpc”，它也可以簡單地描述為一種逆比時(shí)間：2.3 × 10^-18逆秒，如果我們將其轉(zhuǎn)換為時(shí)間，就會(huì)得到一個(gè)計(jì)時(shí)單位——“哈勃時(shí)間”，相當(dāng)于4.3 × 10^17秒，大約是宇宙自大爆炸以來的年齡。

如果我們使用光速來計(jì)算哈勃時(shí)間，就會(huì)得出“哈勃距離”為1.3 × 10^26米，或者說是137億光年。這是一種宇宙宏觀參數(shù)，我們可以使用距離單位和時(shí)間單位來研究真正意義上的宇宙尺度。

不幸的是，這樣存在一個(gè)大問題：哈勃常數(shù)并不是一個(gè)隨時(shí)間變化的常數(shù)，而是隨著宇宙年齡的增長，以一種復(fù)雜的方式不斷下降，具體取決于宇宙中所有不同成分的相對(duì)能量密度。

4、氫原子自旋翻轉(zhuǎn)躍遷

長期以來，我們?cè)噲D尋找一個(gè)更好的宇宙時(shí)間定義，有一種方法值得考慮：整個(gè)宇宙中最常見的量子躍遷。無論任何時(shí)候形成的中性氫，它的形成都是一個(gè)電子結(jié)合在原子核上，而原子核幾乎總是一個(gè)單獨(dú)、裸露的質(zhì)子，當(dāng)電子到達(dá)基態(tài)時(shí)，相對(duì)于質(zhì)子的構(gòu)型將出現(xiàn)兩種可能性。

電子或者質(zhì)子要么反方向量子自旋，即其中一個(gè)自旋+ 1 / 2，另一個(gè)就是自旋-1 / 2；要么就是同方向量子自旋，即電子和質(zhì)子都是自旋+ 1 / 2或者自旋-1 / 2。如果自旋是反向排列，那么就處于最低能態(tài)；如果自旋是正向排列，那么電子旋轉(zhuǎn)就有一定概率是自發(fā)翻轉(zhuǎn)，釋放一個(gè)特定頻率的獨(dú)特光子，該頻率為1420405751.77赫茲。

有趣的是，氫原子自旋躍遷速率較慢，相當(dāng)于2.9× 10^-15逆秒，如果我們將它轉(zhuǎn)換成宇宙時(shí)間和宇宙長度標(biāo)準(zhǔn)，就相當(dāng)于1090萬年和1090萬光年，相當(dāng)于大約330萬秒差距。（葉傾城）