未来人类统治银河系时，如何标记时间？

同行866

银河系直径约十万光年，各区域的时间以什么标准统一？会有“银河元年”这类统一历法吗？
如果时间不可能统一，那如何解决管理问题？
（可以假设拥有光速飞行能力。光速飞行的含义是，你去任何地方都只要一瞬，但目的地已经过去了几千几万年。既然飞船能达到光速，超距通讯自然不在话下，甚至可以超光速。当然，也可以忽略此假设）

冷专问

好像不太可能。
按照广义相对论，引力场中甚至不一定能在一条封闭曲线上做到对钟（也就是，沿曲线处处按光对钟会产生一个净的时间差），不要说在整个三维区域对钟了。
嘛，不过技术上给银河画割面（也就是跨越割面重新对钟）应该可以在相当的区域内满足需求了，毕竟除了靠近银河中心的地方都算弱场吧。也就是和地球上子午线差不多的原理（不过在地球上，这是太阳节律的本地性而不是时间本质的本地性导致的）。
至于时间单位，应该是原子钟。不然，很难找到在银河旅行这样大的时间跨度下有可控误差的时间单位了。

话筒他常te

技术上面除了超远距离通信以外应该没有什么特殊的，本质上应该跟现在的GPS差不多。首先需要确定一个参考系，因为不同参考系中的同时概念不太一样，可以简单用银河系质心参考系；然后在全银河部署广播节点，节点以极长周期的码长用引力波、中微子之类向全银河广播，其中同时编码了节点的星历信息，在银河中任何一点，只要收到至少四个广播节点的信号，解出相应的星历（或者通过其它途径获取到星历），就可以用类似GPS的方式计算出空间坐标和当前时间。用远程授时校准本地的原子钟频率就可以得到高度同步的时钟。

佚独丶

关于时间的问题，总是令人着迷。“统一时间”是一个震撼人心的大问题，问题在于：这种“统一”依靠什么来保障呢？又依靠什么得以维持呢？

在狭义相对论的框架下，时间的均匀性假设仍然成立，绝对意义上的“统一时间”在理论上可能，操作和现代不同时区的换算差异不大，无非就是计算量需求比较庞大。似乎只要有一台巨型计算机，这种统一就能完成。
在广义相对论的框架下，时间的均匀性假设不再成立，需要的是一种相对意义的“统一时间”。这个时候，我们需要对“统一”有全新的概念把握。

让我们一步一步分析这个问题。

一、同时性
问题问的是“如何统一各地的时间标准”，这其实问的是如何保证“同时性”。

什么是同时性呢？
按照我们日常生活的经验，可以举个例子：我跟一帮好朋友走在一起，一辆飞机从头顶飞过的时候，苹果刚好也下落了，我们都看见了。我们可能会说：“苹果在飞机从我们头顶飞过去的时候下落了。”也可能说，“飞机在苹果下落的时候从我们头顶飞过去了。”对于我们而言，“苹果下落”与“飞机飞过”是一起“同时”发生的事件。
但这种日常经验所描述的同时性是模糊的同时性，是不准确的，这种模糊性被视为是“误差”的来源。
作为一门精确科学，现代物理学的“同时性”并不完全等同于日常经验的“同时性”。它们之间存在共性，也存在差异。虽然都是“同时性”，但区别在于：物理学的“同时性”是被定义的；而日常经验的“同时性”是被感知的。
而另一方面，物理学又要求测量，这种测量需要具备可操作性。“可操作性”原则又决定了，物理学必须要结合经验观察。其中的关系有些微妙。可以说是：经验观察对于物理学测量而言是必要的，但也是“麻烦”（误差）的根源。这就形成了一种张力。
大体而言，物理学一直都追寻着经验观察与理论刻画相符合。这种追寻是无止境的。

也就是说，物理学中既包括先验的理论演绎，也包括经验性的观察、记录、归纳。那么，我们首先需要澄清的是“绝对同时性”和“可操作的同时性”两个概念。
为了理解“绝对同时性”，让我们先看看牛顿的绝对时空（Space—Time）。在绝对时空中，任何表观活动都是相对的，但“时空”本身绝对均匀。比如单摆，只有在牛顿力学体系的计算中，它的振动周期才是相同的；而在生活世界中，由于阻力不可能避免，我们不可能得到绝对精确的“机械钟”。也就是说，所谓的“绝对精确、稳定的一秒（或一个计时单位）”，其实是一种理想状态，在现实中并不存在。
绝对时空中的事件描述是一种理想描述。比如两个不同地点同时发生了一起事件，这种描述是不言自明的。类似这样的事件，只需描述，无需证明。
以示意图1为例。如果按照绝对时空观，我们会做如下描述：A、B两地在8:00发生了一起事件，a、b、c三个人都看见了，他们会认为：A事件在8:00发生，B事件也在8:00发生，所以两起事件是同时发生的。在这样的描述中，其实不包含观测问题。这仅仅是单纯的事件描述，即不同的人都认为事件同时发生了。
也就是说，在牛顿时空中，A、B是否同时发生直接由条件给定，并不考虑测量问题，这种同时性是绝对的同时性，是一种先验的同时性。




示意图1

接下来，我们要引入狭义相对论。
狭义相对论把物理学实践的操作性原则赋予了理论刻画，要求在理论刻画中能够体现“可操作性”原则。这种要求本身也是将“经验观察”与“理论刻画”相结合的体现。
那么，什么是“可操作的同时性”呢？
我们可以在上述模型中（如示意图2），加入一个人物d，这个人物d距离A、B两地的距离相等，且这个距离足够远。如下图。按照“可测量”的标准，仍然假定A、B两起事件同时发生（比如8:00）作为初始条件。
在这样的问题场景中，如果以所测量的时间作为判断“同时性”的标准，那么，其实只有对于d而言，两起事件才是同时发生的（比如d在8:01收到了AB两地的信号）。而对于c而言，显然B地的事件先发生（比如8:01接收到B的信号），A地的事情后发生（比如8:02接收到A的信号）。对于a、b而言，显然也是A地的事件先发生，而B地的事件后发生。
也就是说，对于d而言同时发生的事情，对于a、b、c而言不同时发生。
这也就是“可操作的同时性”的相对性了。




示意图2

ps1：严格说来，上述描述的预设和结论是存在不协和的。因为在这个描述过程中，我们在初始条件中，仍然假设A、B同时发生了一起事件（绝对同时性），而我们的结论却是“同时性”具有相对性。当然，这并不妨碍论证。原因在于，在描述中，“绝对同时性”这个假定其实是多余的，只是为了刻画初始条件方便。如果用“可操作的同时性”为要求来描述这个问题的初始条件，同样是可行的，只是会让描述变复杂许多，有兴趣的朋友可以自己琢磨琢磨。
ps2：在此，对百度百科对“同时性”的解释进行澄清，百度百科的描述是：

如果在某个惯性系中看来，不同空间点发生的两个物理事件是同时的，那么在相对于这一惯性系运动的其他惯性系中看来就不一定是同时的。

事实上，要理解“同时性”的相对性，其他惯性系未必需要“运动”，甚至都不需要借助不同的惯性系。同时性就是一个很简单的概念。百度百度这种描述混淆了“同时性”和“时间流速”问题。只有在“钟慢尺缩”等问题中，我们才考虑惯性系之间的相对运动。当然，就物理学而言，“运动”本身就是相对的，速度为0的运动就是静止，也不能说百度百度的解释不对，只是表述太狭隘，容易让人误解。

如果理解了“同时性”的相对性，那么统一时间，提出“银河元年”概念，颁布“大银河历”，是完全有可能的，而且过程并不复杂。
比如A、B星球相距10光年（这个距离作为现成已知的量被我们把握），假设A于10000年以光速发射一个信息给B星球，那么当B星球接收到信息时，A已经是10010年，B经过这样一个换算，把自己的时间也规定为10010年即可。其他星球的操作也类似。
这就是根据同时性理论得到的“换算方案”。至于具体怎么做，那就看人如何借助工具了。毫无疑问，具体的做法不可能达到绝对的精确，会存在误差。这是正常的。现实测量永远不可能100%符合理论，但是可以不断趋近。

二、均匀性
在引入广义相对论之前，我们先来看狭义相对论的一个“理论缺陷”。这个“理论缺陷”就是“钟慢尺缩”效应。
根据狭义相对论，参考系具备“等价性”，所以“钟慢尺缩”效应也是相对的。比如，如果S'以接近光速的速度远离S，对于S而言，S'的时间变慢了；对于S'而言，S的时间也变慢了。
这就会产生“双生子悖论”：假设AB是双生子，B以接近光速的速度做一次宇宙航行，对于地球上的A而言，他兄弟的生命周期变慢了，比如自己感觉活了10年，而飞船上的那位兄弟只活了1年；但是对于飞船上的兄弟也是一样的，他会认为地球上的兄弟的时间变慢了。那么，到底谁的时间变慢了呢？
这个问题是狭义相对论不能处理的。

广义相对论通过引入时空弯曲解决了这个问题，引力场是时空弯曲的体现。而乘坐飞船的B经历了“加速度”，经历了时空弯曲，所以B的时间会慢一些。
在广义相对论的四维时空中，时间不在是一个外在参量，而是测量体系内的一个变量，这就相当于，时间不再能够作为一个绝对的标准来为其他测量结果奠基，而是各种测量结果相互影响。
在这样的理论框架中，不同的星球处于不同的“空—时”场（或四维流形manifold）。按照现有理解，就“统一时间”这一事情而言，需要的是绝对的标准物来作为统一标准，但地球上的标准物在另一个星球上的各种属性都发生了变化，也就是说，不可能存在绝对的标准物。爱因斯坦的“标准钟”只存在于理想状态中，在现实中找不到这样的技术产物。
在这个意义上，绝对意义上的“统一时间”也就不可能的。
但是，这并不意味着“统一时间”不可能。问题此时成为了哲学问题。有人认为，什么问题一旦成为了哲学问题，那就不可能解决了。这种想法是正确的。但另一方面，哲学作为哲学，本身就不以“解决”问题为目的。哲学意味着“爱智慧”，哲学教会我们用全新的目光看世界。
既然“统一时间”不能按照我们通常的意义来理解，那么我们可以寻求一种更加灵活的“统一方式”。
什么是“统一”呢？归根结底，“统一”是一种心灵的认同。原始人通过神话、图腾建立了彼此的关系，中世纪人依靠《圣经》建立统一，这些“统一”的建立并不完全依赖于“历法”，而是依赖于彼此的认同。
也就是说，虽然不同星球由于引力场不同，时间不同，但如果不同星球的人，能够把自身的“计时方式”解释清楚，能够理解各自的文化，能够相互理解，相互认同，这其实就相当于完成了“统一”。
这就好像北极的爱斯基摩人与赤道附近的澳大利亚人，他们昼夜比率不同，各有各的生活节律。这种生活节律并不是绝对的一致，但经过沟通后能够相互理解。一个澳大利亚人完全可以了解爱斯基摩人的生活方式，理解他们的历史与文化，他们也可以成为朋友。在这个意义上，即使他们遵循的历法不一样，他们也是“统一”的。
在这个意义上，失去绝对标准之后，人类仍然有希望“统一时间”，这种希望就来源于“沟通”。


总结
问题的关键在于：狭义相对论取消了“绝对同时性”假设，但是保留了“时间均匀性”假设，而广义相对论打破了“时间均匀性”假设。
在“时间均匀性”假设成立的前提下，“统一时间”在理论上自然是可能的；在理论上可能，也就意味可操作。当然，操作不能保证现实100%符合理论，但是可以无限的逼近。也就是说，理论可能在某种程度上就相当于现实可能，即使目前不可能，只要理论成立，那么以后也是有可能的。
在“时间均匀性”假设不成立的前提下，绝对意义的“统一时间”在理论上不可能。而如果没有理论，现实中的人无论怎样操作，都不会有一个参考标准，也就不存在“做到”这样一个说法。因为“做到”总是相对于某个“标准”的做到。
但这种绝对意义上的不可能，针对的是绝对意义的“统一时间”，也就意味着，相对意义上的“统一时间”是可能的。这种可能性源于人与人之间的沟通对话。
但是，所谓的“相对”并不是任意，不是随便选择“参考系”。相对总是在具体生存环境中的相对。相对某个具体生存环境而言，“统一时间”才具有生存论的意义。

附A：
对于爱因斯坦而言，题主的问题其实不是问题。因为，在爱因斯坦看来，时间只是一种不真的幻觉。在他悼念青年时代的好朋友贝索时，他写下了一段著名的话：

现在，他又一次比我先行一步，他离开了这个离奇的世界。这没有什么意义。对于我们有信仰的物理学家来说，过去、现在和未来之间的分别只不过有一种幻觉的意义而已，尽管这幻觉很顽强。

附B：
如果牛顿还活着，他可能不会认同狭义相对论的思想实验。
对于牛顿而言，他认为，自己的万有引力定律只是一个数学模型，而非物理实在；万有引力是“数学的”力，而非“物理的”力。牛顿对“数学的”和“物理的”作了泾渭分明的区分。所以，牛顿很可能会认为：为“狭义相对论”奠基的思想实验混淆了数学空间与物理空间。而在数学空间中，是不存在人的位置的，根本不允许操作性。
事实上，我们如果深究“狭义相对论”的思想实验的细节，也能够找到一些需要澄清的地方，比如：这个模型假设了“事件发生的同时性需要以人的测量作为保障”，但同时又假设了“人的测量活动是同一的”，并没有考虑“不同的人可能读数反应时间不同”这样一个因素。
也就是说，在这个思想实验中，a、b、c、d作为“标准人”具备双重性：一方面，他们像“活人”一样，能够完成测量操作；但另一方面，他们又是绝对的“数学人”，他们的测量操作是绝对精确的。
由于这种充满含混性的假设没有被澄清，所以我们有时很难真正理解“狭义相对论”。因为我们在认真理解狭义相对论的时候，需要把自己代入，让自己成为一个“测量者”，这就难免会考虑过多的现实因素。也就是说，要理解这个思想实验，需要一种恰如其分的态度：一方面，我们要考虑一定的现实因素（测量）；一方面，我们也不要考虑过多的现实因素（反应时间、钟表的准确性、大脑视觉皮层与语言皮层的互动……）。
这实在是非常微妙的事情。

附C：
个人感觉，越是琢磨这些问题的细节，越是能感觉到前人思想中的有趣之处。我的解读也只是一种解读方式，未必正确，欢迎大佬们评论区留言。
当然，就考试而言，会算就可以了。狗头jpg.


参考书：
《时间的观念》

御风而行2017

先抖个机灵，摔个“银河年”的概念。
银河年（galactic year），也称为宇宙年（cosmic year），是太阳系绕着银河系中心公转一周的时间，大约为2.25亿至2.5亿年之间。它可以提供一个更“易于理解”的单位来说明宇宙尺度的时代。
好了，我们先有了合适的单位。



太阳绕银河系一周就是一个“银河年”（GY）

比如，下面这份年表开始于太阳系的诞生，现在是第20个银河年（GY）。
4 GY：地球出现海洋
5 GY：生物出现
6 GY：原核生物出现
7 GY：细菌出现
10 GY：稳定的陆地出现
13 GY：真核生物出现
16 GY：多细胞生物体出现
17.8 GY：寒武纪大爆发
19 GY：大灭绝
19.6 GY：白垩纪-第三纪灭绝事件
20.0 GY：现代



原来恐龙灭绝也就是今“年”下半年的事……

<hr/>第二个问题是在宇宙尺度下如何对标时间，然而相对论告诉了我们“同时的相对性”，每个位置都有自己的时间线。在狭小的地球上，这点误差微乎其微，到了浩渺的宇宙中，对表就难以执行了。



爱因斯坦：听说你们要在宇宙里对表？怎么不来问问我？

比如下面这个图里面，A,B,C三颗星互相距离1光年。
如果A自以为是，认为现在是2000年，他发出最快的信号（光速）以后，B和C都将在A的2001年收到A的2000年信号。
如果你觉得很简单，以A为基准，定为2000年，B和C同时定为1999年好了。
但就有人会怼你了，为什么不是2001年呢？因为反过来，B和C上一年发出的信号，A也要一年以后收到呢。
更何况，如果加上三方通信，就更复杂了。比如A对B加密通信，B又转给了C，C再转给A，这时候究竟是±一年，还是±两年呢？


相对论最大的历史功绩就是破除了牛顿的绝对时空观，所以当我们控盘星系级尺度时，就应该升级到新的时空观念。
通过狭义相对论，我们可以明白，宇宙中没有哪个点是特殊的，可以作为对表的参照点，但每一个点相对于其他位置的相对时间是可以被描述的。
这就是“光锥”的概念，所谓光锥，可以看作是闵可夫斯基时空下，一束光随时间演化的轨迹。
简单点说，如下图，观测者发出往四面八方的光，随着时间的推移，这些光将以宇宙中最快的速度前行，到达可能抵达的最远的位置，因此形成一个“未来光锥”。从观测者发光的那个时间点开始，所有可能的信息传递，都被包括在这个光锥以内。
反之亦然，观测者可能接受到的信息，也形成一个“过去光锥”，在这个光锥以外的信息，观测者在这个时间点是无法接收到的。所谓“光锥以内，既是命运”。


为了更好的理解光锥的概念，可以看下图。
比如你小时候在A点做了一件坏事，你的老师离你比较远，在C点是看不到的，你可以放心大胆的逃避惩罚，而你爸爸离我比较近，在B点看到了，回家就把你一顿暴揍。
“光锥以内，即是命运！”这句话的意义就在你爹的棍棒里。



我们再回到那个等边三角形。
如果A点发射信息，那应该是这样标注时间：
A：2000年
B、C：（+1年）
D、E、F：（+2年）【图中未标注，自己想象】
而B点发射信息，也应该是这样：
B：1000年
A、C：（+1年）
D、G：（+n年）；E、F：（+m年）【图中未标注，自己想象】
当然也有可能没这么麻烦，最大的可能就是发一个坐标，然后数据库自动计算光锥的相对时间。



太阳系的坐标发出去了，黑森打击何时到来？

以上是假设各方相对静止或低速运动的情况，如果某飞船在银河系内以亚光速运动，除了坐标以外，还必须报出自己的速度（包括方向哦）。由于相对论效应，自己以亚光速运动时，会发生尺缩钟慢效应，和其他位置的相对时间也发生了变化，如下图。


以上一切都在狭义相对论体系内构思，如果考虑银河系中心的变态引力场，还需要考虑爱因斯坦方程的修正。
人类文明发展到那个阶段，应该早已建立起银河系每一个点的相对时空（注意，是时空）数据库了。到时候报一下坐标即可，绝不会发生《星际穿越》里，男女主冒冒失失就跑到黑洞附近的“大浪星”，让飞船上老黑等了好几十年。



<hr/>而如果超光速通信可以成立，以上都不用看了，我删帖。




真心期待本帖被删！