光年不止是長度 | 混亂博物館

06-29

我們在往期內容《星雲中的沉與浮》中邂逅了一個意外的問題：蟹狀星雲距離我們6500光年，人類在公元1054年觀測到它在爆發中誕生——那麼蟹狀星雲如今有多少歲了？

這個問題並不像它看上去那樣簡單。

實際上，它關係到人類過去100年內對「時空」這個概念最深刻的變革：我們蝸居在一個狹小而緩慢的世界中，這讓我們最基本的感官經驗充滿了錯覺。而一旦要觀察浩瀚的宇宙，我們就不得不先重新審視自己了。

－文字稿－

「光年是一種長度單位，等於光在真空慣性系中傳播一年經過的距離，約9.46×1012公里」。這是初中物理和大眾科普的基礎內容，但在應用中，卻有一些擊破常識的新概念。

我們常說某個遙遠的天體距離地球有很多光年，蟹狀星雲距離我們6500光年，人類在公元1054年觀測到它在爆發中誕生——那麼蟹狀星雲如今有多少歲？

大多數人會說是6500+2017-1054=7463歲，但事實要複雜的多——在光速的丈量下，這個宇宙的時空是另外一副模樣，超越人的感官經驗。

從古老的時代開始，人們就從感官經驗出發建立了一種絕對觀念：空間就像一個舞台，時間恆定而公平，萬物登場、表演、謝幕，只有時空恆常不變，這種時空觀在牛頓那裡集得大成，成為整個經典物理學的根基，我們如今還在物理入門時研習它的核心概念：要談速度先得明確參考系。

但是在19世紀末，這種時空觀遇到了麻煩：麥克斯韋方程組綜合了電磁學理論在當時的所有進展，其中描述磁場和電場的變化時出現了一個常數C，代表電磁波在真空中的傳播速度，也就是光速——然而這個速度的參考系是什麼呢？

當時的物理學仍然浸泡在絕對時空的羊水裡，物理學家們相信這個參考系就是絕對空間，於是設計了一個雄心勃勃的實驗：1887年，阿爾伯特·邁克耳遜和愛德華·莫雷組裝了臂長32米的光學干涉儀器，試圖測量地球相對於絕對空間的運動速度——然而一系列的測量結果竟然越來越接近於「0」，這太荒謬了：地球的公轉速度達到3萬m/s，卻沒有在絕對空間中運動！

到了世紀之交，經典物理學又迎來一次巨變。愛因斯坦在1905年以《論動體的電動力學》創立了狹義相對論，核心就是真空中的光速是一個定值，在任何慣性參考系中的測量結果都一樣，也是宇宙中信息傳播的極限速度。

這裡的信息不只包括日常意義上的「通訊信號」，還包括宇宙中的一切作用和變化——換句話說，任何事物的發展狀態都不會比它「看」上去的樣子更超前，它的任何特性都不會比它的外表更早影響到我們。

如此一來，狹義相對論就帶來了一種全新的時空觀：對於每一個具體的觀察者，空間中的每個位置都有不同的時間，而這個時間是多少就取決於光從那裡傳遞過來要多久——這在日常生活中體驗不到，但是在光年這樣的巨大尺度上，空間和時間就再也無法割裂了：蟹狀星雲距離我們6500光年，對此最恰當的理解並不是我們看到了6500年之前的蟹狀星雲，因為這暗示了一個「現在的蟹狀星雲」，但那只是基於經典時空觀的幻覺，沒有任何物理意義；我們應該把這句話理解為，相對於我們，蟹狀星雲上的時間延遲了6500年，並且相對於蟹狀星雲，我們的時間延遲了6500年。所以我們看到的蟹狀星雲有963歲，他就真的有963歲——這就是狹義相對論最直接的含義。

當你仰望星空，以為那些閃耀的星光都是亘古之前的殘跡？非也，那是你的雙眼洞穿了光陰，宇宙的歲月像畫卷一樣平展在天宇之上。