参宿四，今天你炸了吗？——光与时间的故事

原创天音石头科普工作室

参宿四即猎户座α星，是一颗距离地球约724光年的红超巨星；近年来，她是手机新闻上的常客，众人津津乐道的，莫过于她那多变的“性情”，犹如宇宙中的星芒，变幻莫测，令人留连忘返。

冬季大三角与冬季大钻石，

参宿四便是中间那个（irentals）

在关于参宿四何时发生超新星爆发的讨论中，我们经常能见到的一种言论便是：“或许参宿四已然爆发，只是其辉煌光芒还未抵达地球。”那么，这种说法是否正确呢？要回答这个问题，我们需要先进行一些必要的背景介绍。我们先要探讨牛顿的绝对时空观和爱因斯坦的相对时空观。

绝对时空观简介

经由广泛的大众科普和学前教育，艾萨克·牛顿发现万有引力的故事已经人尽皆知；但作为真正伟大的数学家，牛顿对科学的贡献远不止于此。在1687年，牛顿创作并首次出版了他最为重要的著作《自然哲学的数学原理》，这本书被誉为科学领域最伟大的著作之一。

自然哲学的数学原理，1725年本

（jonkers）

在这本著作中，牛顿给出了经典力学的八大定义，建立了经典力学完整的公理化体系；解释了八大定义后，他在附言中留下了这样的词语：“我没有定义时间、空间、所处和运动，因为它们是为人所熟知的。唯一需要说明的是，一般人除了通过可感知的客体外无法想象这些量，并会因此产生误解，为了消除误解，可方便地将这些量分为绝对的和相对的，真实的和表象的以及数学的和普遍的。”

牛顿对绝对的时间、空间、所处和运动给出了自己的定义，也奠定了经典力学所适用的时空范围，即绝对时空。在绝对时空中，绝对时间与绝对空间是单独的，互相没有直接关系，于斯，空间寂静绝对，时光匀均绝对；时间度量不随参考系变化，长度度量也与视角无关。可以如此理解：空间犹如物质华彩的舞台，而时间则似墙上的挂钟，其影不触，两者共筑物质秩序；这一观点，主导了此后数百年内物理学家甚至天文学家的思维模式。

相对时空观简介

“你和一个漂亮姑娘在公园的长椅上坐一个小时，感觉只过了一分钟；你在火炉旁边坐一分钟，却感觉过了一个小时。”

19世纪末期，经典物理学发展接近顶峰，人们确信波的传播依赖于介质，如水波赖水、音波须倚气；随着光的波动理论盛行，人们为了解释光的传播方式，提出了一个叫做“以太”的媒介。这个以太被认为存在于绝对空间中，帮助我们理解光的行为。

迈克尔逊-莫雷实验，也被称为以太漂移实验，扮演了检验牛顿的绝对时空观念的重要角色。其主要目的是测量地球相对于绝对空间的移动速度。然而，令人奇怪的是，在两次实验中，光波传播时未显示出相位差，结果似乎是零。这令人疑惑，因为我们知道地球围绕太阳公转的速度超过了30公里每秒，所以它显然不可能静止在所谓的以太中。这一实验结果对牛顿的绝对时空观受到了巨大的挑战。

迈克耳孙和莫雷的干涉仪装置

（Case Western Reserve University）

当绝大多数物理学家竭力试图解决“以太”理论的重大困难时，爱因斯坦在他的《论动体的电动力学》一文中呈现了狭义相对论，提出了崭新的时空观：狭义相对论告诉我们，时间和空间间隔是相对的，同时发生性也是相对的；唯一绝对不变的是物理定律和真空中的光速，这叫做相对性原理。从数学上讲，光速是通过下式计算得来：

这一计算过程基于经典电动力学；由于相对性原理的规定，不论任何参考系下物理定律不变，因而电动力学也不发生变化，基于此计算出的光速自然也就不变了。

从科学的角度来说，这一理论提出了相对性原理与光速不变原理，否定了伽利略变换下的绝对时空观。这一理论解决了“以太”理论的难题，因为在相对论的视角下，以太根本不存在。实际上，迈克尔逊-莫雷实验恰好证实了狭义相对论。在这一新的相对时空观中，时间与空间紧密相连，它们都会随着不同的参考物而变化。

狭义相对论对时空相对性的解释，重点在于时间延缓效应和尺度缩短效应，其公式如下：

其中，这个最常出现的东西被定义为洛伦兹因子γ：

作为拓展，我们来说明一下如何通过光速不变原理理解时间延缓效应。

假设现在有一飞船从地球与一束光同时同向出发，飞船上与地球上各有观测者A与B，飞船速度v接近光速。

现在，于地球上的观测者B发现：由于飞船速度极为接近光速，光经过了极长的时间才将差距拉开到一定的距离d，可以计算该时间为：

与飞船上的观测者A则发现，光相对于其的速度仍为c，同样拉开距离d用时如下：

显然：t₂＜t₁，对于发生同一事件所经历的同一段时间∆t，A与B感受到的时间长度不同，近光速状态下的A感受到的时间t₂远小于近静止状态下B感受到的时间t₁，时间的流动速度变慢了，此即时间延缓效应。这一效应有力地说明了不同参考系下时空度规不同的事实。

关于这两个重要效应尺度缩短效应及绝对时空观、相对时空观的介绍，网上已经有很多了，这里仅做知识铺垫，不再赘述，下面我们进入正题。

相对时空下的宇宙

显而易见，在广袤的宇宙中，巨大的尺度和显著的引力效应使得牛顿的古典力学不再适用，我们进入了相对论的领域，因此需要采用相对时空观。

首先，我们给出光年的定义：

光年（light year）是一种长度单位，表示光在真空中传播一儒略年（约365.25天）所经过的距离，这个距离约等于9.46×10^12千米。这是广为人知的定义。对于宇宙中的大多数天体，我们通常用光年来表示它们与地球的距离。举个例子，前文提到的参宿四，距离我们约724光年；还有大家熟知的“天关客星”，即蟹状星云，距离我们大约是6.5±1.6千光年。

https://www.cdstm.cn/theme/hellosky/201202/t20120203_452125.html

以它为例，它的前身超新星SN 1054在公元1054年观测到，假设它距离地球精确地为6500光年，那么到今天（公元2023年），请问它有多少岁了？

大多数人都能轻松地回答这个问题：6500+2023-1054=7469(岁)

这个答案的前提显而易见：我们与目标天体处在同一个时间下，二者经历的时间完全相同，只是因为距离太远，导致我们看到的信息有一些滞后。这个表述，非常符合牛顿的绝对时空观。

在狭义相对论中，光速不变，而光速c也代表了宇宙中信息传递的最大速度。需要明确：在这里，信息不仅仅指通信信息，还包括宏观的所有过程和变化，以及它们对宇宙的影响，由此可以引出一个新的概念：光锥。光锥的概念是相对论中解释因果关系和信息传递的基础之一。它强调了信息的传播速度受到光速的限制，以及事件之间的因果联系如何随着信息的传播而建立。这一观点深刻地改变了我们对时间和空间的理解，使其适应了相对论的观念。