第19章 时间和光速（二））

在我们的感觉中，时间似乎在流动，连续不断地流向下一刻，而且时间似乎总是朝同一方向流动，朝未来前进。那么我们怎么测量时间呢？

第一个钟堪称每日只发出一次滴答声：会运转的地球，从地球不断沿着轴心每日自转一次，到地球每年绕行太阳一圈，我们一直利用地球可预测并且一贯性的运动来测量时间。我们总是在寻找不断重复的事物，这类重复性活动，这类事物的循环构成时钟，因此时间成了某种重复性过程。

利用日出测量地球的运动后，我们将一天分成24小时，地球一天自转一次，我们靠观测日出日落来数日子。现在科学家们以惊人的精确度测量时间，他们利用宇宙间最小的物体，稀有金属铯的原子。

原子具备固有频率，任何会振动，会进行重复性运动的东西都可以做为钟。铯原子活动的频率是世界标准计时器。铯原子被能量撞击后，会振动或持续运动，每秒发出光脉动90亿次，科学家计算铯原子运动的次数，铯原子每秒运动9192631770次。

我们日常用的钟表每两个月会快或慢一秒，但是铯原子做的钟表每一亿年才会快或慢一秒。但是无论我们的钟变得多么准，我们仍然不了解时间。钟表能告诉我们现在的时间，但一直无法告诉我们时间到底是什么，我们在测量的究竟是什么？

每一个人，每一个地方，时间流逝的速度都一样，这是由牛顿所确立的。牛顿对于时间的看法虽然合理，但爱因斯却看出事实并非如此。

爱因斯发现时间可以不同速度流动，这表示我的时间和你的时间可能不同。每个人各自拥有自己的时间，每个人的时间流动速度不同，时间并非全宇宙统一，而是由许多不同的时间。

爱因斯坦指出，空间运动对时间流动有极大的影响。运用这份惊人的见解，爱因斯坦颠覆了所有人时间流动速度相同的常识。在移动的人，时间流动速度会比较慢。

那么我们为何未能在日常生活中察觉到这一点呢？我们在地球上移动的速度很慢，运动对时间的影响极微小，因此我们感受不到，但这样的影响千真万确，并且能够测量到。想进行测量，只需两个原子钟及一架喷射飞机，这项实验在1971年进行的，当时有科学家带着一个原子钟跑遍全球各地，然后与在地面上的原子钟对比，结果就如爱因斯坦所预测，两个钟的时间出现差异，两者只相差千亿分之一秒，但却明确证实了运动会影响时间流动。

爱因斯坦的理论在接下来不断被验证，所有结果全都一致，成为我们了解大自然运作的基础知识。发现空间和时间居然有这等关系后，爱因斯坦认为不能再认为两者不相干，必须将空间和时间融为一体，成为所谓的“时空”，爱因斯坦的这一发现彻底改变了以前我们对时间和空间的那种固有的看法！

在低速和低引力世界，我们无法很明显地感知速度和引力对时间的影响，但在亚光速世界，或者引力极大的天体附近（比如黑洞），速度和引力对时间的影响就变得非常明显。

严格来讲，我们每个人的时间流逝速度都是不一样的，但这种不一样微乎其微，可以忽略不计。

我们每个人都拥有自己的时间（本证时间），我们只需要对自己的本证时间负责，别人的时间流逝速度快慢与我们没关系，因为严格来讲每个人都处于不同的参照系，只有两个人回到同一参照系，他们才拥有相同的本证时间。

宇宙极限速度299792458米/秒

在宇宙中充满了坍缩的恒星、超新星和超大质量黑洞，那里的磁场是我们在地球上创造的磁场强度的数十亿倍。宇宙射线主要由高能量质子组成，从各个方向穿过宇宙空间。

宇宙的高能粒子产生时，最高的能量不再是用Gev(10^9 ev)， Tev(10^12 ev)甚至是Pev( 10^15 ev)来衡量。这些宇宙射线中的能量可以一路飙升到10^19 ev以上!

这么高的能量，这些质量粒子会不会被加速到光速或者超过光速呢？

理论上是可以的，因为加速只要有足够的能量就行!但是宇宙似乎对物质携带的能量有限制。因为当能量在5×10^19 eV以上时，宇宙不会让粒子保持在这个能量之上!

无论最初创造的粒子携带的能量有多高，这些粒子传播时都必须穿过大爆炸留下的微波辐射。微波辐射平均温度约为2.725开尔文，比绝对零度高不到3度。如果我们要计算每个光子的均方根能量，大约是0.00023电子伏特。

正是这些微弱的微波辐射创造了宇宙的速度极限！

高能带电粒子穿过微波辐射时有机率与光子发生相互作用，那么就出现这种可能性:如果能量允许，根据E=mc^2，高能带电粒子与光子作用会产生一个新的粒子!

粒子不能免费获得能量；它必须来自创造它的系统！高能粒子在能量值10^17ev开始，就会在碰撞中产生正负电子对，但这是一个能量损失非常低效的过程，粒子可以在该能量之上传播数亿光年。

但是更高能量的粒子碰撞还会产生最轻的强相互作用粒子中性π介子，每一个π介子会损耗135Mev的能量。

有一个能量阈值称为GZK极限值，高于5×10^19 eV的高能粒子与微波辐射发生作用就会发射中性π介子，直到低于这个能量阈值！如果高能粒子有更高的能量，就会产生其他粒子，能量损失的更快！

当一个质子以GZK极限运动时，这个极限能量对质子的速度意味着什么呢?

从数字上看基本已经达到了光速，或者我们换个角度看看，如果一个拥有GZK极限能量的质子和一个光子比赛，飞往离我们最近的恒星比邻星(上图中间红色的恒星)，不可否认光子会先到达，但是质子仅落后22微米，700飞秒后到达。

如果质子和一个光子一路飞向距我们254万光年的仙女座星系，然后再飞回来，这个旅程将需要将近500万年，质子可能会迟到大约13秒。

每一个带电粒子、每一束宇宙射线、每一个质子、每一个原子核都受到宇宙极限速度的限制!其实只是比光速低了那么一点点。当粒子进行超光速旅行时，来自宇宙大爆炸的微波辐射会立即与它发生相互作用，产生新的粒子，降低它所携带的能量。

所以宇宙的极限速度是299792458米/秒。