大思考：你看到的宇宙，其实是一部时光机里播放的旧片

你现在抬起头，看见的太阳，是8分20秒前的太阳。

如果此刻太阳突然消失，你根本不会知道，至少要再等8分20秒才会察觉。这不是哲学玄想，而是物理现实，而且它只是爱因斯坦颠覆我们常识的第一步。

在牛顿的世界观里，时间像一条匀速流淌的河流，空间是一张固定不变的底图，"现在"这一刻对所有人都是同一个"现在"。这套直觉在日常生活里运转得相当顺畅，所以大多数人从未质疑过它。

但它是错的。

一个用来估算闪电/雷声距离的常用方法是，计算看到闪电后听到雷声所需的时间（以秒为单位）。每延迟三秒，大约对应着1公里（约0.6英里）的距离：这是由于光速和声速之间存在巨大差异造成的。图片来源：Ken Lund/flickr

理解这一切，要从一个最朴素的事实出发：任何物理信号的传播速度都是有限的。

真空中的光速是299,792,458米每秒，这是宇宙中任何信号所能达到的最高速度，没有例外。这个速度听起来快得令人咋舌，但放在宇宙尺度上，它慢得令人沮丧。

当平静的水体受到扰动时，例如向其中投入一块石头，这些扰动产生的信号就会以一定的速度向外传播，远离信号源。这个速度取决于信号本身的特性和介质的性质。无论是水波、声波、光波还是引力波，所有波的传播速度都是有限的。图片来源：Negro Elkha / Adobe Stock

这意味着你永远无法观察到宇宙中任何地方"此刻"正在发生的事情，你只能看到信号从那个地方出发时所携带的信息。距离你1公里的闪电，你看到的是它3.3微秒前的样子；你夜里仰望的月亮，是1.3秒前的月亮；你每天沐浴其中的阳光，出发于8分20秒之前。

当你把目光投向更远处，这种"时间延迟"就变得惊人。距离地球约40光年之外有一颗行星，上面如果此刻正有生命在发出无线电信号，我们要40年后才能收到。我们用望远镜看到的那些遥远星系，有些发出光的时候，地球上甚至还没有恐龙。

光锥就是一个例子，它是所有可能到达和离开时空某一点的光线的三维曲面。你在空间中移动得越多，你在时间中移动得就越少，反之亦然。只有包含在你过去光锥内的事物才能影响你今天；只有包含在你未来光锥内的事物才能在未来被你感知。这展示的是平坦的闵可夫斯基空间，而不是广义相对论中的弯曲空间。图片来源：MissMJ/Wikimedia Commons

物理学家用"光锥"这个概念来描述这一限制，它划定了哪些事件的信息能够到达你，哪些永远无法到达。你过去光锥之内的事件，才是真正能够影响你此刻状态的事件；你未来光锥之外的事件，你此生永远无缘感知。

宇宙不是一个实时直播，它是一部时差各异的多轨录像。

21世纪初，我们已经成功地绘制出了太阳系附近几乎所有恒星的三维空间分布图。距离我们最近的恒星并不总是与我们可见的恒星排列在同一条直线上，因为可见的恒星是由距离和自身亮度共同决定的，但所有太阳系外的恒星都比我们太阳系内的任何恒星都要遥远得多。比邻星/半人马座α星系统是一个三合星系统，目前拥有距离太阳最近的三颗恒星；巴纳德星是距离太阳第四近的恒星系统，也是距离我们最近的单星系统。图片来源：安德鲁·Z·科尔文

然而，信号传播的延迟，只是故事的开场白。爱因斯坦的相对论走得更远，它告诉我们：时间和空间本身就不是固定的背景，而是随着运动状态和引力环境的不同而发生改变的量。

虽然目前比邻星系统是距离地球最近的恒星系统，但它们并非一直如此，而且在未来的某些时候也会不再是。事实上，如果我们愿意等待更长的时间，将会有恒星比比邻星系统更接近地球。这是因为所有恒星都相对于银河系中心和太阳进行三维运动，因此它们会随着时间的推移，根据相对速度，时而远离我们，时而靠近我们。图片来源：SternFuchs/维基共享资源

狭义相对论指出，当一个物体相对于观察者高速运动时，它的时间流逝会变慢。这不是仪器误差，也不是哲学比喻，而是可以精确测量的物理效应。GPS卫星以每小时约14000公里的速度绕地球运行，如果不对狭义相对论的时间膨胀效应进行修正，GPS系统每天累积的定位误差将超过10公里，根本无法使用。

这张全球地图展示了构成事件视界望远镜（EHT）网络的各个射电天文台，该网络用于拍摄银河系中心黑洞人马座A*的图像。图中黄色高亮显示的望远镜是2017年观测人马座A*期间EHT网络的一部分。这些望远镜包括阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列（ALMA）、阿塔卡马探路者实验（APEX）、IRAM 30米望远镜、詹姆斯·克拉克·麦克斯韦望远镜（JCMT）、大型毫米波望远镜（LMT）、亚毫米波阵列（SMA）、亚毫米波望远镜（SMT）和南极望远镜（SPT）。它们同时观测了同一个黑洞，而同步这些独立测量数据的能力是重建黑洞图像的关键。图片来源：ESO/M. Kornmesser

广义相对论则进一步告诉我们，引力会扭曲时空结构，越靠近大质量天体，时间流逝越慢。地球表面的人，时间流逝比轨道上的卫星略慢，差值非常微小，但精密的原子钟已经反复测量并证实了这一点。

这张图展示了目前已确认的星系 MoM-z14 的近红外相机（NIRCam，上图）和近红外光谱仪（NIRSpec，下图）数据。截至 2025 年 5 月，MoM-z14 是已知最遥远的星系。由于宇宙膨胀，其光线在 1.5 微米及以下波长范围内完全不可见。下图所示的光谱中可以看到各种电离原子的发射特征，以及显著且强烈的莱曼断裂特征。图片来源：RP Naidu 等人，《开放天体物理学杂志》（已投稿）/arXiv:2505.11263，2025 年

在宇宙尺度上，这些效应的叠加使得"何时"和"何地"的问题变得极为复杂。宇宙自大爆炸以来持续膨胀，星系之间的距离并不是固定的，而是随着空间本身的扩张而增大。这意味着你想问"那个星系距离我们多远"，首先要回答：你指的是它发出光时的距离，光传播过程中的某个中间距离，还是此刻它所在位置与我们之间的距离？

这三个答案是三个不同的数字，而且都可以是正确的，只是回答了不同定义下的问题。

宇宙学家因此发展出了一整套专属工具：共动距离、光度距离、角直径距离、宇宙时，这些概念各有用途，专门应对爱因斯坦宇宙中时空弯曲和膨胀所带来的复杂性。

这一切，都源于爱因斯坦在1905年和1915年先后提出的相对论对牛顿体系的彻底改写。"此时此地"不再是一个可以被所有观察者共享的普世概念，它是相对于每一个独特的观察者、每一种运动状态、每一个引力环境而言的。

所以，当你下次在晴朗的夜晚仰望星空，记得这件事：你看到的那些繁星，有的已经在数百年前死去，有的距离我们如此之远，它们发出的光要再过数百万年才能抵达地球。

你看到的宇宙，不是宇宙现在的样子，而是宇宙各个过去时刻叠加在一起的一幅拼图。爱因斯坦告诉我们，这不是观测技术的局限，而是宇宙运转方式的根本特征。

信息来源：https://bigthink.com/starts-with-a-bang/einstein-revolutionized-where-when/