4 時間長史
現在我們知道，在很久很久以前，時間和空間就攜手同行了，但它們並非一直存在。時空是在不到140億年前和質能同時誕生的，其過程非常激烈。如果不怕自相矛盾，我們甚至可以說：“曾有一段時間沒有時間。”
聖奧古斯丁等天主教會的教父曾深入論述過“時間之始”這個課題：時間是從“無”中創造出來的。這一理論完全符合上帝是造物主的理念。聖奧古斯丁對反對意見的諷刺回應總讓我十分欣賞，這位希波主教自問自答：“上帝在創造時間之前在幹什麽？他在想如何懲罰膽敢提出此問題的人。”
古希臘的思想家卻並不太關心時間的起始，他們認為世界是循環的，周而複始。不管是柏拉圖還是年輕的亞裏士多德，都認為酷暑、暴雨、地軸角度改變等會導致周期性的災難，這些災難迫使文明毀滅再重生，把之前的路再走一遍，直到下一次大災發生。它們是相當廣泛的願景，斯多葛主義者通常以36,000年或72,000年為一個周期，認為在固定的日子裏，整個世界會被大火燒盡，然後一切從頭再來，和之前一模一樣：“將會有一個新的蘇格拉底，一個新的柏拉圖，每個人都會和原來一樣，有相同的朋友和同胞。”
聖奧古斯丁打破了這種循環說，認為人類的時間隻是永恒中的一小段，時間隨創世開始，隨最終審判結束。20世紀初的科學家也不太關心時間的起始。在某種程度上，時間被認為是理所當然的，就像宇宙、物質、能量一樣。直到發生了下麵提到的兩件事，這個問題才開始重要起來，最不願接受的人也開始考慮那個驚人的想法：時間可能和宇宙一樣，也有一個開始。
時間之始
1927年，年輕的比利時物理學家、天主教神父喬治·勒梅特給出了愛因斯坦方程關於時間的一個解。在他的解中，宇宙的時空在膨脹，最遙遠的星係在後退，離所有東西越來越遠，而且離得越遠，後退的速度也越快。像倒放電影那樣逆推膨脹，他得出結論：一切都應該誕生於100億到200億年前，始於一個極小又十分奇異的點——一個原初的原子。這是現代大爆炸理論的雛形。
當年輕的美國天文學家埃德溫·哈勃開始用威爾遜山天文台的世界上最大的望遠鏡記錄星係視運動數據時，他完全不知道勒梅特的推演。但他的觀測結果毫無疑問也是一樣：所有的星係都在漸行漸遠，並且離得越遠，後退的速度越快。今天我們知道，這不是星係在運動，而是時空在膨脹。哈勃於1929年公布了自己的觀測結果，讓原本持懷疑態度的愛因斯坦也相信了勒梅特的說法：時空有誕生之日。廣義相對論形成十多年後，愛因斯坦方程嚴謹而優雅地描繪出的宇宙，變成了一個巨大的係統，它有起始並且一直在膨脹。物理學被永遠地改變了。
從此，現代大爆炸理論突飛猛進。20世紀的宇宙學能細致地再現宇宙的發展過程，因其能十分精確地測量宇宙中最巨大部分的結構特征。通過觀測幾十億光年外的星係和星係團，我們可以像看“現場直播”一般看到屬於遙遠過去的景象。
最豐富的信息來源之一是宇宙微波背景輻射（Cosmic Microwave Background，縮寫為CMB）。各個方向上都有低能光子的均勻流動是大爆炸理論最重要的預言之一。1964年，阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜幾乎在偶然間發現了這一輻射，於是就連最懷疑時間起源說的人也不得不接受時間有一個開始。
這原始之光是一個極特別時刻的遺跡：當宇宙年齡達到38萬年時，膨脹導致的冷卻讓溫度下降到3000開爾文（2726.85攝氏度）以下，電子和輕型原子核終於首次組成電中性的原子。突然之間，物質不再吸收輻射，於是光開始向四麵八方傳播。這些最早的自由光子，被時空膨脹拉伸、削弱，至今仍帶著那時的信息漂浮在我們周圍。
宇宙微波背景輻射微小的各向異性真正是宇宙根本性質的信息寶庫。我們從中挖掘出了比較準確的宇宙誕生時間：138億年前。而且我們發現，宇宙的性質在誕生之初更驚人，它在極短時間內以驚人的速度膨脹，經曆了被我們稱為“宇宙暴脹”但我們尚不完全了解的時期。盡管最初的極速膨脹很快就消失了，但時空繼續無限擴大延展，直到今天依然如此，隻不過相對於最初的瘋狂弱了很多。
宇宙微波背景輻射就像一個巨大的記憶庫，儲存著時空和質能事件。整個宇宙都和包裹了它上百億年、彌漫四處的光子處於熱平衡狀態，使得我們能夠從中挖掘出關於宇宙漫長曆史的寶貴信息。不過，宇宙微波背景中依然隱藏著許多秘密。
被物質束縛了幾十萬年後，最初的光子擺脫了約束，開始自由地向四麵八方傳播。與之不同的是，時空極速膨脹產生的原初引力波得益於自身的微弱而從一開始就自由傳播，它和所有東西的相互作用都是如此微弱，以至初始宇宙中極熱極密的物質也無法將其吸收。於是引力波就會在與之相互作用過的宇宙微波背景上留下細微到幾乎無法察覺的痕跡，其特征是一種不易發現的偏振，即宇宙微波背景的空間方向性。我們找了幾十年也沒找到，一旦找到，我們就可以了解宇宙暴脹階段尚不清楚的部分。
科學家都夢想著觀測到直接由大爆炸產生的古老引力波。這些無法察覺的時空擾動至今依然回**在我們身邊，是最初引力波渦旋的殘留。誰能將現有工具的靈敏度提高到能測出原初引力波的水平，誰就能非常詳細地再現那個超凡的時刻。從某種意義上說，時間誕生的傳說依然回響在我們身旁，人類巨大的挑戰就在於能夠成功地聽到那喃喃低語——那是對時間誕生時那一聲啼哭的追憶。
時間之終
如果你從未體會過“司湯達綜合征”，隻要從帕多瓦的斯克羅威尼禮拜堂的小門踏入主殿，你就會知道那是什麽意思。占據天花板並在許多窗格上反複出現的那一塊塊青金石藍，會讓你不禁屏住呼吸。
這座小教堂從外麵看平平無奇，隻是一座中世紀的建築，建在古羅馬劇場的遺跡旁。和其他有一定地位的城市一樣，帕多瓦也有古羅馬人為公共演出而建的大型劇場，隻是帕多瓦古劇場保存得很差：磚石被拆下來建房子，宏偉的建築最終隻剩下一些拱門和橢圓形外牆。不像著名的維羅納競技場那樣，氣勢雄渾地矗立在市中心，幾乎沒有損壞，依然被用於大型演出，如果沒有斯克羅威尼禮拜堂，帕多瓦古劇場就隻是意大利的諸多古跡之一，沒什麽特別吸引人的地方。不過在13世紀，這裏曾聳立著城中最富有的銀行世家斯克羅威尼的家族豪宅。
斯克羅威尼家族的族徽並不特別漂亮：白色背景中有一頭懷孕的藍色母豬，暗指他們的族姓(1)。他們的名聲也不好，整個城的人都懼怕他們，也在背後說他們的壞話，因為他們和許多富豪一樣，以放貸發家致富。但丁都把他們的老祖宗裏納爾多放在了地獄裏，可見這人肯定不受愛戴。當他在1290年去世時，他的宅邸被憤怒的民眾衝垮了。為了讓人們忘記這些過去的時光，也為了重塑一定的社會尊重，讓教會和貴族階層接受自己，其子恩裏科斥巨資修建了一座禮拜堂，還聘請當時最好的畫家喬托·迪·邦多納為禮拜堂畫壁畫。
斯克羅威尼禮拜堂於1300年建成，這正是14世紀第一個禧年，而後喬托用了幾年時間為其繪製壁畫，於1305年完工。他在這組壁畫中徹底拋棄了拜占庭繪畫的傳統規範，線條更加柔和，造型更加自然真實。通過為斯克羅威尼禮拜堂作畫，喬托成為第一個具有現代性的畫家。這組壁畫也被認為是曆史上最重要的藝術作品之一，是少數幾個可與米開朗琪羅的西斯廷禮拜堂壁畫相媲美的作品之一。
喬托以多彩的壁畫表現《聖經·舊約》和《聖經·新約》裏的故事，混合了情感與人性，以及信仰的力量與曆史的意義。整組作品的**在描繪基督受難又複活及最終審判這一幅，它占據了禮拜堂的整個立麵背牆：左邊是得真福而上天堂者，被天使列隊接引；右邊是受詛咒而下地獄者，遭受著各種可怕的酷刑。
但特別吸引我的是畫麵上方三葉花窗兩旁的兩個天使，他們好像卷幕布一樣卷起星辰閃爍的蒼穹。
喬托表現的時間終結很顯然依照了聖約翰在《啟示錄》中的描述：星星墜落，天空卷起。短暫的人世結束而永恒開始，時間被重置，它隨物質宇宙而生，現在也一並被收起。一切都回到了但丁《神曲·天堂篇》第十七歌所說的“諸時皆在”——這不在人類的時間中，而是所有時刻同在的永恒。
時間的盡頭被喬托出色地表現出來，直到今天，它依然讓我們這些現代人思考：如果時間有一個開始，那是否也會有一個結束？時間的終結對我們的物質宇宙意味著什麽？我們可以通過考察各種宇宙終結的假設，以科學的語言來表述這些問題。
比如，時間之終可能就是時空不再急速膨脹。如果星係不是互相遠離而是互相靠近，就會最終毀於彼此的相互作用，這個過程的終點是它們全都聚合到一起，所有物質都坍縮成一個奇點，即科學家們所說的“大擠壓”。隨著時空被壓到點的維度，時間也就解體而不複存在了。如果又有新的大爆炸，從上個時空的灰燼中產生新的時空，那就又開始了新的周期。但這種循環說，這種近乎完滿的膨脹與收縮的交替，並不被科學觀測所支持。
沒有任何數據表明，時空會先停止膨脹，然後轉為收縮。相反，一切似乎都告訴我們，時空的膨脹會愈演愈烈。這種讓一切加速互相遠離的東西被稱為“暗能量”。我們不知道它是不是一種新型的力量、一種“斥力”，抑或是時空的一種奇特性質，會隨時間的增加而加速其膨脹，但可以肯定的是，如果沒有其他機製參與，暗能量將會決定我們的宇宙如何終結：一切都將從一切中退去，宇宙將變得非常黑暗、寒冷、荒涼，恒星形成、能量交換等周期將慢慢被不可挽回地打破，而正是因為這些周期才有了行星係統，才有了行星上的生命。晦暗的裹屍布最終會包裹整個宇宙，它長久地存在著，長久到我們無法想象，仿佛是死去恒星的墓地，無用而廣闊。
這就是宇宙的熱寂，不給人留下任何希望，甚至比聖約翰的《啟示錄》還要黯淡得多。如果所有恒星都坍縮了，隨著時空繼續膨脹，時間會變得無窮卻也無用，度量著越來越慢的變化、被拉長到空洞煎熬的節奏，而這些變化最終也將消失於一片虛無。
廣闊宇宙中的時間
最早驗證愛因斯坦廣義相對論是通過對宇宙現象的觀察，這並非巧合。當我們離開地球，走進更廣闊的世界後，才能更好地理解時空被質能扭曲後的性質。
廣義相對論效應在地球上當然也存在，但實在是太微弱了，以至可以忽略不計。除非精度要求很高，比如全球定位係統中各原子鍾的同步。
但一旦我們開始探索我們的太陽係，那些本來成謎的現象就變得可以理解、合乎邏輯。
對廣義相對論的首次印證，來自英國天體物理學家亞瑟·斯坦利·愛丁頓爵士。他於1919年11月公布了他的研究結果，在英國皇家學會的研討會後，這一消息就登上了《泰晤士報》的頭版，並被各大報紙轉載。這讓愛因斯坦在獲得諾貝爾獎之前就成了地球上最著名的科學家之一。
1915年愛因斯坦發表廣義相對論時，第一次世界大戰已全麵爆發，當時，很少有英國科學家會對一個德國科學家的想法感興趣。不過愛丁頓爵士不一樣，他是貴格會成員、堅定的和平主義者。後來他還因為拒絕參軍險些被逮捕，幸虧皇家天文學家弗蘭克·沃森·戴森找了個借口，說愛丁頓要為驗證愛因斯坦的理論尋找資助，才把他從軍事法庭上帶走，讓他免於牢獄之災。
1919年5月29日，南半球將發生日全食，愛丁頓組織了一支隊伍，前往幾內亞灣的聖多美島進行考察。他的目標是在食甚時用望遠鏡為一個星團拍照。如果真如愛因斯坦所說，太陽的巨大質量會使時空扭曲，那這個星團的光從太陽附近經過時就會被微微彎折，從而改變視位置。簡言之，日食期間，星星出現的位置會和平時不一樣。
愛丁頓要克服無數的困難，包括一整天的壞天氣。這差點兒讓他拍不成照，但突然之間，烏雲散去，他才得以拍下幾張片子帶回劍橋。經過好幾個月的分析，最終他確認：在其中一張片子中，星團的視位置有明顯的移動，這與愛因斯坦的預測相吻合。廣義相對論預言的在大天體附近空間會收縮，而時間會拉長這一奇怪的理論是正確的。
Wasp-12是禦夫座的一顆矮星，在它附近有一顆類似木星的氣態行星，其軌道半徑較小，這顆行星離母恒星如此之近，以至公轉一周隻需要一天多的時間。二者之間的引力很強，潮汐力讓氣態巨行星變形，兩極被壓扁，成了鵝蛋形。哈勃空間望遠鏡發現，Wasp-12正在奪取這顆行星的物質，就是將它撕裂並最終將它吞噬。像這種恒星吞噬其行星的現象實屬罕見，而星係吞噬其他星係、恒星吞噬附近其他恒星的例子則不勝枚舉。
將望遠鏡指向Wasp-12，我們就能目睹一場太空罪行，但因為它們離我們約有1400光年之遙，所以這其實發生在十幾個世紀以前，當時，穆罕默德正開始宣揚新一神教。蒼穹每天都像這樣在向我們訴說著發生在遙遠過去的奇妙之事或恐怖之災。
以愛丁頓為先鋒，天體物理學在近一百年內取得了令人矚目的進步。我們的“可見宇宙”，也就是用大型望遠鏡能夠觀測到的宇宙，巨大到難以想象。裏麵有上千億星係，中間卻隔著巨大的虛空，每個星係又包含幾千億由氣體和塵埃聚合而成的類似太陽的恒星，以及無數更小的天體。
但可見宇宙隻是宇宙幾乎可忽略的一小部分，此外還有黑洞和中子星等不發光天體，還有星係間的巨大氣體帶和各種形式的輻射。最重要的是還有暗物質和暗能量，它們才是宇宙最主要的組成部分，遠超過其他。
當數字變得很大時，我們就很容易對其失去切實的感受。這時就可以借助大頭釘：找一顆用來固定襯衫的大頭釘，捏住底端將其舉向天空，被圓頭遮住的那一點很小很小，然而卻包含著幾千個星係，每個星係又由上千億顆恒星組成。當我們用現代大型望遠鏡去觀測看似空無一物的宇宙區域時，用不了一會兒，就會發現到處都隱藏著萬千個世界。
太陽與太陽係行星之間的距離相對於我們在地球上的常規移動來說是巨大的，但與恒星間的距離相比就會顯得很小。太陽距地球1.5億千米，距離和我們最近的比鄰星卻有4.2光年， 而1光年約等於95,000億千米。
要想對星係的大小有一個基本概念，可以想象一下：要想到達銀河係中心，我們需要走過約26,000光年的距離，如果想要訪問離我們最近的仙女座星係，則需要走上254萬光年。然而，就算這樣，也依然沒有走出我們星係群在宇宙中所占的這一小片地方。
當距離變得如此之大時，“現在”和“同時”就失去了意義，我們也就能更好地理解何謂“時間是局部的”。那麽，遙遠的世界中“此時”發生著什麽？這麽問沒有任何意義，這完全是一個糟糕的問題。我們的共同時間，和遙遠的世界根本不共享。在我們的世界中，時間是保證生存的極好工具，但一旦要探索小小地球之外的世界是如何運轉的，我們的時間概念就會將我們引入歧途。
我們的當下不可能是遙遠某處的當下，這會讓人很困惑。我們已經習慣於生活在很有限的空間中，以至都不會想到通信可能做不到處處即時。如果給住在紐約的朋友打電話，我們完全可以順暢交流，訴說最近發生的事，因為我們擁有“同一個現在”。信息在我們之間傳遞起來隻需要幾分之一秒，這麽小的延遲很容易被忽略。但如果距離大到連光都要幾千年才能走完，那“同一個現在”就完全不存在了。
美妙的幻象和神奇的組合
當我們觀察很遙遠的物體時，今天所見之現象其實發生在遙遠的過去，所有的天文觀測都變成回到過去的旅行。如果距離相對較小，我們傾向於忽略延遲，並假裝還可以將我們的時間和周圍的空間共享。比如，太陽光要用8分多鍾才能到達地球，但這個差別足夠小，我們可以忽略不計。從太陽表麵發出光子到我們的視網膜接收到光子的這8分鍾內，沒有人懷疑我們親愛的太陽會發生什麽嚴重的事情。但如果時間間隔變得相當長，那一切就都變了。
今天，當我們用望遠鏡記錄下仙女座星係美麗的景象時，我們知道這些光走過了很長很長的路才到達這裏。它們離開銀河係的姐妹星係時，在非洲之角的某個地方，正在發生我們智人屬的人類和非洲南方古猿的第一次分化。也許是巧合吧，這些光子出發時，一群奇怪的猴子也邁出了漫漫長路的第一步。進化會讓它們發展出意識，製造出越來越精細的工具，直至發明出能感光的設備，在那些光子到達地球時將它們捕獲。在漫長的時間裏，這個新物種出現並發展，同時那些光子也走過了兩個星係之間的浩瀚虛空。
我們頭頂上星辰閃爍的明淨夜空，啟發了一代又一代詩人，然而“天似穹廬”隻是一個美妙的想象。古人將繁星排列成星座，關於它們的傳說至今仍流傳著，但“星座”也是一種假象。夜空中最亮的天狼星其實是一個雙恒星係統，在距離太陽8.6光年的地方互相圍繞旋轉。天鵝座的主星天津四閃耀在離我們2600光年的地方，而看起來是一顆星的北極星，其實是由三顆恒星組成的係統，其中我們能看見的最亮的黃超巨星北極星Aa，距離我們有325光年。
距離如此不等的天體在過去的不同時刻發出了光，在今天的同一時刻被我們看到。黑夜中，我們將相距幾千年的事件人為地疊加到一起。星空如此美妙，其背後的現實卻比看上去要複雜得多。
正如太陽看上去繞著地球轉而實際上並非如此一樣，我們看見的東西可能是一個精巧的假象。有時，我們會看見並不存在的東西，而往往也看不見真正存在的東西。
時空在宇宙尺度上製造的幻象很多，其中一些甚至讓天文學家也感到驚訝。當他們給非常遙遠的天體拍照時，就發現過海市蜃樓般的景象。光源分身出四個，形成了十字架一樣的形狀。這種現象也是廣義相對論作用的結果，即當質量巨大的物體處於光源和觀察者之間時，時空的扭曲會彎折光線的路徑，光源的視位置就會分散到四周，形成所謂的“愛因斯坦十字”。這也是一種視覺幻象，遙遠天區的圖像出現重影，出現一模一樣的恒星和星係。不過它也是寶貴的信息來源——天文學家利用這些圖像挖掘相關天體的質量及其分布數據。
當三個太陽的能量乘著時空的波瀾前行
印證了廣義相對論的諸多天文觀測告訴我們，時空不是一個抽象的概念，不是對宇宙結構的簡單描述。相反，這個極其精巧的框架是實實在在的，它會振動、會搖擺、會上下波動，並將一切形式的擾動傳播出去，正如池塘泛起漣漪的水麵。
質能將時空扭曲，由此產生了引力，這應該已經讓我們窺視到一點兒時空的真正性質。時空不是一個裝著自然現象的、沒有反應的容器，而是整體的基本組成部分，它參與天體的運動，被天體影響，再反過來決定天體的軌跡及局部時間的流逝速度。質量和能量並不是在空曠的、沒有反應的空間中經曆時間。相反，分布在各處的物質運動著，與時空交織在一起，形成各種情況：有時是周期性質的、有規律的，但也經常被災難打破。這是一個動態變化的整體，其中進行著巨大的能量交換。
廣義相對論方程解起來比較複雜，因為時空既是方程的一部分，也是解的一部分，簡言之，就是時空性質在方程中，而其曲度是方程的解。如果考慮到引力彎曲中包含著能量，而這能量又會引起其他的彎曲，也許就比較好理解一些。解這個方程，對於方程的發現者愛因斯坦來說也是一項嚴峻的考驗，不過如果時空曲率相對較小，他還是能找出一個近似解的。驚豔的是，他得出的方程與電磁方程十分相似，這個解中包含的引力波就像電磁波一樣以光速傳播。
如果時空振動，扭曲傳播開來，就能遠距離傳播能量。引力能也能被釋放和吸收，正如電荷在振動的電磁場中被加速和移動時輻射的能量一樣。
不過愛因斯坦自己也相當懷疑這個解是否描述了一個真實存在的物理現象。他的懷疑很有道理。首先，因為引力相對電磁力很弱，其強度可以忽略不計。產生電磁波是很容易的，隻要加速質量很小的電子，它們很快就能向四麵八方發射光子。但要產生顯著的時空彎曲卻需要巨大的質量，如果還要產生像波一樣傳播的擾動，就要對這巨大的質量做大到可怕的加速。然而，恒星和行星經受不住如此巨大的外力，很容易就能證明它們在巨大外力下會立刻解體。所以，有些人認為我們永遠觀測不到引力波，也是有道理的。
在20世紀的前幾十年裏，沒人能夠想到，存在著質量和密度比普通恒星大得多的天體，它們是如此緊密，以至能夠經受住產生引力波所需的可怕加速。黑洞就是密度極高的天體，能在直徑幾十千米的體積內容納很多個太陽的質量。正是這些超重又超致密、被強大引力約束住的物體產生的現象，讓我們第一次發現了引力波。
當可怕的災難毀滅了一整個遙遠的星係，而我們成功記錄到回響時，才有力地證明了時空可以遠距離傳輸能量。
這一切發生在兩個黑洞之間，每個黑洞都有30個太陽那麽重，它們相互作用，產生了一連串精彩的事件。當兩個天體相互吸引時，它們開始圍繞共同的引力中心瘋狂旋轉，最終以接近光速的速度衝向彼此，融為一體，形成質量約為60個太陽質量的黑洞。它們在幾分之一秒內以引力波的形式釋放了相當於3個太陽質量的巨大能量。這兩個極端致密的天體成功地扭曲了時空，以至產生引力波，這些引力波傳向整個宇宙，在走過14億光年的距離後，終於到達了我們的地球。就像一個嫻熟的衝浪者，相當於3個太陽質量的能量乘著時空之波，平穩地走了14億光年。
盡管時空難以相信地堅實，但依然有一些自然現象強大到能使之像一張普通的彈性網一樣發生變形和振動。兩個黑洞碰撞產生的衝擊激起了時空的波瀾，讓時空振動，就像在池塘中以一石激起千層浪。
首次發現引力波之後，隨著更多設備開始投入使用以及技術的不斷改進，我們又記錄到了一係列新的事件，收集到了其他雙黑洞或中子星發出的引力波信號。中子星是另一種致密天體，但質量和密度遠沒有黑洞那麽大。
引力天文學帶來了觀測宇宙、理解宇宙的全新視角。以引力波形式釋放的能量為我們提供了關於黑洞存在及性質的寶貴信息。我們以前都不敢肯定這些隱秘之客的存在，現在卻能仔細研究，搞清楚它們在宇宙運動中的作用，更好地理解它們不為人知的一麵。
(1).?“母豬”的意大利文是“scrofa”，“斯克羅威尼”的意大利文是“Scrovegni”。——譯注