作成者: roberto.c.alfredo 内 physics 日付
相对论让我们失去了一座统一的时钟。
在爱因斯坦之前，人们很自然地把时间想象成一股看不见的水流，以均匀的速度流经整个宇宙。钟表可能走得不准，人们可能忘记了时间，火车也可能不按时刻表运行。但在这些局部的小麻烦背后，据说始终存在着一个真正的时间。如果两件事同时发生，那么对所有人来说，它们都是同时发生的。
相对论却告诉我们，事实并非如此。彼此相对运动的观察者，可能对相距遥远的哪些事件同时发生持有不同意见。沿着时空中不同路径运行的时钟，可能记录下不同的时间长度。引力也会改变时钟的走时速率。宇宙之外并没有挂着一座时钟，置身事外、不受任何影响，显示着唯一正确的宇宙时间。
可紧接着，宇宙学家又告诉我们，宇宙已经有大约 138 亿年的历史。
听起来，这简直像是有人偷偷把那座统一时钟又搬了回来。
这 138 亿年究竟是谁的时间？是地球上的时钟记录的？是漂浮在星系之间的时钟？还是一个以接近光速运动的时钟？整个膨胀的宇宙并不存在一个统一的惯性参考系，那么这个年龄究竟在什么意义上成立？
简短的回答是：宇宙的年龄并不是任意一位观察者的时钟读数。它指的是一段宇宙时间（cosmic time），即一类理想观察者所测得的固有时间。这些观察者随宇宙的平均膨胀一起运动。
不过，这个答案还需要进一步解释。毕竟，“一类理想观察者”这种说法，足以让一个简单的问题听起来像是被送进了某个政府机关，等待办理繁琐的手续。
相对论究竟拿走了什么？
有时人们会说，相对论证明了时间并不真实，或者时间并不是基本的存在。但相对论本身并没有得出如此激进的结论。它否定的是所有观察者都必须共享的单一、普遍的时间。
假设两位旅行者从同一个事件出发，沿着时空中的不同路线前进，最后再次相遇。他们的时钟不一定显示相同的经过时间。一个人可能曾高速旅行，另一个人可能在引力场较强的地方停留过一段时间。两只时钟都没有出故障。它们各自测量的是沿自身路径经历的时间。
这种取决于路径的时间长度，叫作固有时间（proper time）。这不只是日常意义上“看问题的角度不同”，仿佛两位旅行者只要坐下来谈一谈，就能消除分歧。固有时间是真实时钟沿着某条特定世界线所记录的时间。任何人只要计算正确，都会同意那只时钟记录了多少时间。
因此，相对论告诉我们的，其实远比“时间是主观的”更有意思：
对于相距遥远的事件，如果不指定所经过的路径，或者不说明如何比较远处的时钟，就不存在唯一确定的经过时间。
对于一名独自旅行的宇航员来说，这条路径就是宇航员自己的世界线。而对于整个宇宙，宇宙学家则需要一种合理的方法，来比较分布在数十亿光年范围内的时钟。
幸运的是，宇宙本身为我们提供了线索。
宇宙并非空无一物
相对论定律不会选定某一种优先的运动状态。但某个特定宇宙中的物质分布却可以提供这样的参照。
例如，力学定律并没有规定某个方向天然优于其他方向。然而，如果你跳进一条河里，河水确实有一个确定的流动方向。你可以测量自己相对于河水的运动。河流并没有推翻相对论，它只是提供了某种实际存在的物质，让我们能够以此为参照描述运动。
我们的宇宙也包含着一种尺度极其宏大的参照物。平均而言，星系会随着宇宙一起膨胀。更重要的是，整个空间都充满了宇宙微波背景辐射（cosmic microwave background，简称 CMB）。这是来自早期宇宙的古老辐射，大约在宇宙诞生 38 万年、变得透明时释放出来。今天，这种辐射从各个方向抵达我们所在的位置，温度约为 2.7 开尔文。欧洲空间局关于宇宙微波背景辐射的介绍解释了这种辐射如何保存着早期宇宙状态的信息。