你在這個(gè)宇宙中的位置不只是由空間坐標(biāo)（何處）描述的，還是由時(shí)間坐標(biāo)（何時(shí)）描述的。不經(jīng)歷時(shí)間而從一個(gè)空間位置移動(dòng)到另一個(gè)位置是不可能的，另一方面，如果不了解所測(cè)量位置的引力場(chǎng)相對(duì)強(qiáng)度，就不可能精確地測(cè)量時(shí)間。

　　幾千年來(lái)，人類意識(shí)中對(duì)時(shí)間的默認(rèn)概念都是“絕對(duì)時(shí)間”。然而，時(shí)間是相對(duì)的，因?yàn)橐瓦\(yùn)動(dòng)都會(huì)使時(shí)間膨脹。

　　氫原子中的電子躍遷，以及由此產(chǎn)生的光子的波長(zhǎng)，展示了量子物理學(xué)中結(jié)合能的作用以及電子和質(zhì)子之間的關(guān)系。氫原子內(nèi)電子躍遷能量最高的是萊曼-α躍遷（n=2到n=1），其次是可見(jiàn)的巴爾默-α躍遷（n=3到n=2）。

　　無(wú)論你身處何方，無(wú)論你移動(dòng)的速度有多快，也無(wú)論你周圍的引力場(chǎng)有多強(qiáng)，你身上的任何時(shí)鐘都會(huì)以相同的速度，一分一秒地記錄著時(shí)間。對(duì)于任何一個(gè)單獨(dú)的觀察者而言，時(shí)間確實(shí)就是這樣在不停地流動(dòng)著。然而，如果有兩個(gè)不同的時(shí)鐘，你就可以比較時(shí)間在不同條件下是如何流動(dòng)的。如果一個(gè)時(shí)鐘保持靜止，而另一個(gè)快速移動(dòng)，那么快速移動(dòng)的時(shí)鐘將比靜止的時(shí)鐘經(jīng)歷更短的時(shí)間：這就是狹義相對(duì)論中的時(shí)間膨脹現(xiàn)象。

　　當(dāng)一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)速度接近發(fā)出光的光速時(shí)，它發(fā)出的光會(huì)根據(jù)觀察者的位置而發(fā)生偏移。左邊的人會(huì)看到光源在遠(yuǎn)離，因此光會(huì)紅移；在光源右邊的人則會(huì)看到藍(lán)移。

　　更加違反直覺(jué)的是，時(shí)間的相對(duì)流動(dòng)還取決于兩個(gè)地點(diǎn)之間空間扭曲程度的差異。在廣義相對(duì)論中，這與特定位置的引力強(qiáng)度有關(guān)，意味著當(dāng)你站起來(lái)時(shí)，你的腳和你的頭實(shí)際上是在以不同的速度衰老。那么，這些現(xiàn)象背后的物理學(xué)原理是什么呢？

　　當(dāng)一個(gè)量子輻射離開(kāi)引力場(chǎng)時(shí)，它的頻率必須紅移以保存能量；當(dāng)它進(jìn)入引力場(chǎng)時(shí)，則肯定會(huì)藍(lán)移。只有當(dāng)引力本身不僅與質(zhì)量有關(guān)，而且與能量有關(guān)時(shí)，這才說(shuō)得通。引力紅移是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的核心預(yù)測(cè)之一，但直到最近才在銀河系中心這樣的強(qiáng)引力場(chǎng)環(huán)境中得到直接驗(yàn)證。

　　回答這一問(wèn)題的基礎(chǔ)之一，便是普遍存在的物理學(xué)定律。盡管宇宙的屬性可能會(huì)隨著時(shí)間、能量或所處位置而發(fā)生改變，但支配宇宙的規(guī)則和基本常數(shù)是保持不變的。在宇宙中的任何地方，氫原子都會(huì)在相同的能量下發(fā)生電子躍遷，它們發(fā)出的光量子與宇宙中任何其他的氫原子都是一樣的。

　　同樣的道理也適用于離子躍遷、分子躍遷甚至核躍遷。也就是說(shuō)，物理學(xué)定律在任何時(shí)間和任何地點(diǎn)都是一樣的，因此這些發(fā)射或吸收光子的躍遷總是在相同的能量下發(fā)生。然而，如果一個(gè)光子的發(fā)射體和一個(gè)光子的（潛在）吸收體不在同一時(shí)間和位置上，那它們所觀察到的能量很有可能就不一致。

從6S軌道開(kāi)始的原子躍遷（Delta_f1）定義了米、秒和光速。根據(jù)運(yùn)動(dòng)和任意兩個(gè)位置之間空間曲率的特性不同，我們觀測(cè)到的光的頻率會(huì)發(fā)生輕微的變化。

　　當(dāng)物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)被稱為多普勒效應(yīng)的物理現(xiàn)象。每當(dāng)有急救車或消防車靠近或遠(yuǎn)離時(shí)，大多數(shù)人都會(huì)體驗(yàn)到多普勒效應(yīng)，表現(xiàn)為鳴笛聲的音調(diào)變化。簡(jiǎn)而言之，多普勒效應(yīng)就是波源與觀察者相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接受到波的頻率與波源發(fā)出的頻率不一致的現(xiàn)象。如果車輛正在接近你，那鳴笛聲會(huì)變得更尖細(xì)（頻率變高，波長(zhǎng)變短）；如果車輛正遠(yuǎn)離你，那鳴笛聲就會(huì)變得低沉（頻率變低，波長(zhǎng)變長(zhǎng)）。

　　對(duì)波動(dòng)性的光而言，同樣也會(huì)出現(xiàn)這種效應(yīng)：如果光源和觀察者彼此遠(yuǎn)離，則光譜會(huì)向更長(zhǎng)的波長(zhǎng)（紅光方向）偏移，；而如果它們彼此相向運(yùn)動(dòng)，光譜就會(huì)向更短的波長(zhǎng)（藍(lán)光方向）偏移。

　　現(xiàn)在，奇怪的事情來(lái)了：當(dāng)你受到的引力場(chǎng)強(qiáng)度在不同位置間變化時(shí)，也應(yīng)該會(huì)發(fā)生同樣的效應(yīng)——即使每個(gè)人都是靜止的。正如光可以有多普勒紅移和藍(lán)移，引力也會(huì)有紅移和藍(lán)移。例如，如果從太陽(yáng)發(fā)送一個(gè)光子到地球，由于太陽(yáng)的引力場(chǎng)主導(dǎo)著太陽(yáng)系，而且太陽(yáng)附近的引力場(chǎng)強(qiáng)度比更遠(yuǎn)的地方更強(qiáng)，因此光子在從太陽(yáng)到地球的過(guò)程中會(huì)失去能量（變得“更紅”）。如果光子朝相反的方向移動(dòng)，即從地球到太陽(yáng)，那么光子將獲得能量，顏色變得“更藍(lán)”。

物理學(xué)家格倫·雷布卡正在哈佛大學(xué)杰斐遜塔的下端設(shè)置實(shí)驗(yàn)裝置，同時(shí)給龐德教授打電話。這就是著名的龐德-雷布卡實(shí)驗(yàn)。在沒(méi)有進(jìn)一步改動(dòng)的情況下，從塔底發(fā)出的光子不會(huì)被塔頂?shù)南嗤牧衔铡＿@項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了引力紅移的存在。

　　物理學(xué)界有許多懷疑論者，他們認(rèn)為引力紅移的概念是完全非物理的。這一概念非常復(fù)雜地涉及到時(shí)鐘運(yùn)行的速率：在任何時(shí)間間隔內(nèi)經(jīng)過(guò)特定位置的波峰數(shù)量決定了接收到的光頻率；如果引力紅移是真實(shí)的，那在不同強(qiáng)度的引力場(chǎng)中發(fā)射一個(gè)光子應(yīng)該會(huì)導(dǎo)致可見(jiàn)的結(jié)果。這意味著，和大多數(shù)物理預(yù)測(cè)一樣，我們可以找到某種方法來(lái)檢驗(yàn)引力紅移。

　　假設(shè)我們可以誘導(dǎo)一個(gè)量子躍遷，要么是電子的能級(jí)轉(zhuǎn)移，要么是被激發(fā)的原子核重新配置，從而釋放出一個(gè)高能光子。如果附近有一個(gè)相似的原子（或原子核），那它應(yīng)該就能夠吸收這個(gè)光子，因?yàn)閷?dǎo)致光子發(fā)射的物理學(xué)機(jī)制也會(huì)導(dǎo)致相反的過(guò)程：光子的吸收。

　　然而，如果你把光子移到更長(zhǎng)的波長(zhǎng)或更短的波長(zhǎng)上，你都不能使它被吸收了。量子宇宙的定律是非常嚴(yán)格的，如果一個(gè)光子所攜帶的能量稍微多一點(diǎn)或少一點(diǎn)，它都無(wú)法導(dǎo)致適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)態(tài)。

一個(gè)光子源，比如一個(gè)放射性原子，如果光子的波長(zhǎng)從源到目的地之間不發(fā)生不改變，它就有機(jī)會(huì)被同一種材料吸收。如果光子在引力場(chǎng)中向上或向下移動(dòng)，就必須改變發(fā)射源和接收器的相對(duì)速度（比如用振蕩器來(lái)驅(qū)動(dòng)它）來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。這是1959年龐德-雷布卡實(shí)驗(yàn)的裝置示意圖。

　　1959年，羅伯特·龐德和格倫·雷布卡進(jìn)行了一個(gè)引人注目的實(shí)驗(yàn)，被后世稱為龐德-雷布卡實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)展示了引力紅移的存在，并試圖對(duì)其進(jìn)行量化，證明你頭上的時(shí)間確實(shí)過(guò)得你腳上的時(shí)間快。

　　實(shí)驗(yàn)人員在一個(gè)垂直的高塔內(nèi)設(shè)置了一個(gè)光子發(fā)射源，然后將處于較低能態(tài)的相同物質(zhì)放在塔的另一端。如果沒(méi)有引力紅移——即時(shí)間對(duì)二者都是一樣的——那么高塔另一端的物質(zhì)應(yīng)該會(huì)接收到從這一端發(fā)射出來(lái)的光子。

　　當(dāng)然，這些物質(zhì)并沒(méi)有接收到光子，因?yàn)檫@些光子的能量發(fā)生了變化，進(jìn)而導(dǎo)致波長(zhǎng)改變。

那些頭離地心較遠(yuǎn)的人與頭離地心較近的人所經(jīng)歷時(shí)間的流逝速度略有不同，盡管差別非常微小。這是引力時(shí)間膨脹的結(jié)果，同樣適用于物理學(xué)家（如圖中拿著煙斗的喬治·伽莫夫）和非物理學(xué)家。

　　龐德和雷布卡所做的，就是建立一個(gè)振蕩器（基本上相當(dāng)于一個(gè)揚(yáng)聲器的內(nèi)部），使其能夠在塔的一端“增強(qiáng)”光子發(fā)射的材料。他們推斷，如果能將其增強(qiáng)到合適的程度，就可以微調(diào)這種誘導(dǎo)的多普勒效應(yīng)，從而完全抵消引力的紅移。換言之，振蕩器會(huì)隨著時(shí)間的推移，通過(guò)增加額外的運(yùn)動(dòng)（以及額外的時(shí)間膨脹）來(lái)補(bǔ)償引力所導(dǎo)致的效應(yīng)。

　　于是，當(dāng)達(dá)到合適的頻率時(shí)，（鐵）原子突然間就開(kāi)始吸收從高塔另一端發(fā)出的光子。最初的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)，隨后龐德和斯奈德在20世紀(jì)60年代對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。

　　最終的結(jié)論是：每增加1米的高度，就需要對(duì)大約33納米/秒的多普勒頻移進(jìn)行補(bǔ)償。這就相當(dāng)于在地球表面較低的地方，你需要以一定的速度運(yùn)動(dòng)，才能使時(shí)間流逝的速度與你在高處時(shí)相同。換句話說(shuō)，在地球重力場(chǎng)中，如果低處的東西沒(méi)有額外的速度提升——即沒(méi)有額外的時(shí)間膨脹——那么時(shí)間會(huì)在更高處流逝得更快。更直白地說(shuō)，你的頭會(huì)比你的腳衰老得更快。

　　當(dāng)然，相比最初的那些實(shí)驗(yàn)，我們現(xiàn)在的測(cè)量手段要好得多，比如可以直接使用原子鐘技術(shù)來(lái)測(cè)量時(shí)間的流逝。許多世紀(jì)以來(lái)，人類定義時(shí)間的方式已經(jīng)發(fā)生了多次演變；過(guò)去，我們依賴于地球繞地軸旋轉(zhuǎn)或圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)來(lái)定義時(shí)間，現(xiàn)在，我們可以通過(guò)銫-133原子來(lái)定義1秒鐘有多久。

　　在銫-133原子中，原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)間會(huì)發(fā)生非常精確的躍遷，發(fā)射一個(gè)特定波長(zhǎng)的光子。這個(gè)波動(dòng)的9192631770個(gè)周期，就是現(xiàn)代國(guó)際單位制中對(duì)1秒的定義。

　　根據(jù)廣義相對(duì)論，如果把一個(gè)原子鐘——無(wú)論是基于銫、汞、鋁或任何其他元素——移動(dòng)到不同的海拔高度時(shí)，它就會(huì)以不同的速度運(yùn)行：在海拔較高的地區(qū)（弱引力場(chǎng)）走得更快，在海拔較低的地區(qū)（強(qiáng)引力場(chǎng)）走得更慢。

　　原子鐘實(shí)驗(yàn)已經(jīng)以驚人的精度驗(yàn)證了這一點(diǎn)，科學(xué)家檢測(cè)到的預(yù)測(cè)高度差異變化最小可到0.33米。在地球的重力場(chǎng)相對(duì)較弱的情況下，這是一項(xiàng)了不起的成就，表明了原子鐘計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性。

　　然而，如果我們把原子鐘帶到一個(gè)更極端的環(huán)境中，時(shí)間膨脹的效應(yīng)就會(huì)變得非常可觀。宇宙中沒(méi)有比黑洞更極端的引力環(huán)境了。如果接近黑洞的事件視界，時(shí)間對(duì)你來(lái)說(shuō)會(huì)過(guò)得非常慢，你所感受到的1秒鐘，對(duì)相距遙遠(yuǎn)的人而言可能已經(jīng)過(guò)了幾百年、幾千年甚至是億萬(wàn)年。

　　或許這已經(jīng)足以讓人擔(dān)心了。即使我們能夠建造蟲洞，劇烈的空間扭曲可能也會(huì)導(dǎo)致宇宙中整個(gè)有意義的部分——包含了恒星、星系以及各種有趣的化學(xué)反應(yīng)——在我們經(jīng)過(guò)其中時(shí)無(wú)暇顧及。

　　穿越蟲洞是一個(gè)迷人的命題，但如果時(shí)間像在黑洞附近那樣膨脹的話，當(dāng)你從蟲洞的一端旅行到另一端時(shí)，整個(gè)宇宙可能都會(huì)與你擦身而過(guò)——前提是這一旅程不會(huì)摧毀蟲洞里面的飛船。

　　在我們的宇宙中，對(duì)于那些在空間中運(yùn)動(dòng)距離最少，且所處空間曲率最小的觀察者來(lái)說(shuō)，時(shí)間會(huì)過(guò)得最快。如果能到遠(yuǎn)離任何物質(zhì)來(lái)源的星系際空間旅行，你會(huì)比任何人衰老得更快。在地球上，你離地心越遠(yuǎn)，時(shí)間過(guò)得就越快。這種影響非常輕微，但可以測(cè)量并量化，而且非常穩(wěn)定。

　　這意味著，如果你想在未來(lái)進(jìn)行時(shí)間旅行，最好的選擇可能不是進(jìn)行一趟漫長(zhǎng)的、以接近光速往返的旅程，而是應(yīng)該在空間曲率較大的地方逗留，比如黑洞或中子星附近。當(dāng)你進(jìn)入引力場(chǎng)越深，相對(duì)于那些離你越遠(yuǎn)的人，你所經(jīng)歷的時(shí)間就會(huì)越慢。對(duì)生活在地球上的我們來(lái)說(shuō)，站著——讓頭更遠(yuǎn)離地心——確實(shí)會(huì)讓時(shí)間過(guò)得比躺著更慢一些，盡管可能只慢了幾納秒。（任天）