宇宙早期时间比我们慢 5 倍！？宇宙在加速吗？

上个月有篇新闻不知道大家注意到没有，说是科学家发现早期宇宙的运行速度（或者说时间流速）比我们现在慢了 5 倍。难道说宇宙一直在加速吗？

关于“时间流速慢 5 倍”的这个描述，很多人在吃惊的同时会感到困惑：“时间不是用来度量物体运动快慢的么，怎么它本身还有快慢之分？”也有人说：“这我知道，相对论嘛，没有绝对的时间只有相对的时间，但是…… 宇宙时间的快慢是相对谁来说的呢？”

除此之外还有人给出了一些自己的解释：“是不是在宇宙刚开始的时候，构成物质的粒子运动很缓慢，以至于包括物理变化、化学反应什么的都变慢了，所以给人的感觉是时间变慢了。”

还有人从广义相对论的角度来解释：“因为早期宇宙中的物质都聚集在一起密度很大，所以引力也很大。那时候的宇宙就和《星际穿越》里卡冈图雅周围的时空一样时间膨胀了，所以那时候的时间比我们慢。”

究竟该如何理解早期宇宙比现在慢这件事，以及宇宙的时间究竟是相对于谁的时间？今天我们就来彻底搞清楚这些问题。

为了说清楚宇宙时间的快慢，我们还是先搞清楚后者：宇宙的时间究竟是相对谁来说的。

 宇宙时 

假如你从宇宙刚诞生没多久就乘坐一艘近光速的飞船不停地飞，一直飞到现在，那么如今从你的角度来说，宇宙的年龄应该比我们认为的小得多，可能只有 50 亿岁。但如果我们以地球为参照系来说，宇宙已经 138 亿岁了。

宇宙到底多少岁，就没个标准答案吗？

其实由于参照系不同，不管 50 亿还是 138 亿，这两种说法其实都是正确的，而且也不矛盾。那我们为什么选择 138 亿岁作为宇宙的年龄呢，仅仅是因为我们生活在地球上吗？

如果有什么东西能代表整个宇宙，恐怕非宇宙微波背景莫属了，因为它是始终充斥在宇宙中的一种背景辐射，所以它的时间是最能代表宇宙真实演化的时间。

背景辐射有一个特征，就是均匀且各向同性，不管在哪个方向上，它表现出来的都极为相似。但是当我们相对地球进行高速运动时，这时候你会发现：背景辐射将不再均匀！

由于多普勒效应，在你前进的方向上，它的波长会被压缩，因此这部分背景会变得更“热”；而在你远离的方向上，它的波长会被拉长，因此这部分背景又会变得更“冷”。

只有当我们相对地球静止不动时，微波背景的那种各向同性的特征才能很好地表现出来，因此可以认为：地球和宇宙微波背景可以放入同一个参照系。

我知道，虽然地球包括太阳系、银河系，它们在宇宙中也处于相对运动中，但是它们的移动速度相对于光速来说非常慢，所以这里的相对论效应可以忽略。

好了，因为相对于地球静止的时间就是相对于背景辐射静止的时间，所以测量宇宙相对于地球的年龄就是测量宇宙相对于背景辐射的年龄，这便是宇宙的“真实”年龄。

其实这里“宇宙的时间”是一种处于共动坐标系中的“宇宙时”。“共动”顾名思义就是“共同变动”，天文上经常说的“共动距离”就是指天体之间不随宇宙膨胀而增加的那个距离。你可以想象成用于测量长度的尺子它本身会随空间的膨胀而变长，所以不管你怎么去测，最终的值都会和原来一模一样。

也就是说，对于宇宙中的任何人来说（不管是地球上的人类，还是几亿光年外的外星人），只要他们把自己看做是随宇宙在共动，那么今天他们对宇宙年龄的测量结果都不会差太多，都是 138 亿年左右。

有人会说：“‘年’这个单位不是根据地球公转来定的么，外星人哪知道一年是多长。”

拜托，这只是个单位换算问题，你完全可以和外星人约定以铯-133 原子基态中超精细结构跃迁的 9,192,631,770 个周期来定义一秒，从而再乘上个 31,536,000（一年的秒数）来表示一年，这都不是问题。

 宇宙学时间膨胀 

好了，当你认同了宇宙时，不再纠结宇宙中的时间基准问题，现在我们开始考虑早期宇宙时间变慢的问题。

我们知道，由于光速具有上限，越远的距离光需要跑地越久。当一组宇宙早期的光子到达我们时，我们看到的画面其实已经是很久很久以前的了。这也是为什么今天的我们能够看到宇宙不同时期的各种星系。

由于宇宙膨胀，这些光在飞向我们的过程中，它的波长被不断拉长，也就是出现了宇宙学红移。但是它如何对应时间变慢呢？

打个比方，你或许可以这么来想：

波长变长意味着频率变低了，频率变低意味着信息的传输速率下降了。同样是传输一组信息，原本需要花 1 秒钟，现在需要 5 秒。假如这组信息原本是播放一个 1 秒钟的画面，到了接收者这里，边收边播需要 5 秒。倘若接收者不知道这里面缘由的话，当看到全是慢动作的画面，他有理由怀疑那里的时间或许本就过得很慢。但事实上呢，这段画面发生时时间确实只过了 1 秒钟，对于事件的亲历者来说根本不存在“变慢”一说。

所以宇宙并不是在加速，而是那些过去的画面正在变得越来越慢，这被称为“宇宙学时间膨胀”。

其实这并不是什么新鲜事，它早就被广义相对论和标准宇宙学所预言。包括天文观测上，科学家也早有相应的观测证据。

比如被当做标准烛光用于测距的 Ia 型超新星，它们不仅拥有相同的最大亮度，同时也有着一致的光度曲线，有着相似的光变周期。

根据刚才说的宇宙早期时间会膨胀（也就是变慢），距离我们越远的超新星，它的光度变化理应需要更长的时间和周期。通过天文学家的实际观测，这种时间流逝随距离增加而变慢的现象确实存在。

但是这个证据仍然不够有力，因为受限于距离，对超新星的观测不能让我们一览宇宙更早期的情形，所以早期宇宙是否也符合理论预测仍然不能确定。

然而 2023 年 7 月，一篇发表在《自然・天文学》上的文章表示，研究人员通过观测 190 个远古时期的类星体，在它们身上也发现了类似超新星的那种时间随距离变化的趋势。这也从更大的尺度上再次验证了广义相对论以及它所对应的宇宙学时间膨胀。

本文来自微信公众号：Linvo 说宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo

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