Question

真的有 “天上一天，地上一年”吗？

Answer 1

《西游记》里面有很多神仙都有自己的“坐骑”，也有人说这“坐骑”其实就是宠物，因为神仙可以腾云驾雾“说走就走”，并不需要代步工具。而故事中经常有这样的情节：神仙一时没注意，坐骑就“翘班”偷跑下界了，天上刚过去几天的时间，它就已经在凡间“自立为妖”好几年了。这是因为中国古代神话传说中有个说法，叫作“天上一天，地上一年”。

什么是天上的“一天”

“天上一天，地上一年”这个说法现在想起来有些奇怪，作者脑洞是怎么开出来的呢？可能是根据星相的重复。昨天的星空和今天的星空是不一样的，星星的位置有变化，但一年之后就又会重归原位。比如北斗七星在不同季节的同一时辰出现在天空的位置是不一样的，冬天的时候一般得晚上十点多才能看见北斗七星，而且很贴近地平线，古代有根据北斗七星初昏时候的“斗柄”指向来对应不同季节的说法：“斗柄指东，天下皆春；斗柄指南，天下皆夏；斗柄指西，天下皆秋；斗柄指北，天下皆冬。”我们现在知道这是因为地球公转，而因为星相一年“重复”一次，所以古人认为凡间的一年是天上的一天。

确实，有时候天文上会把行星自转一周的时间称之为“一天”，比如我们常说“金星上的一天大概等于地球上的117天”，如果按照《西游记》里的说法，“太白金星”过了一天的日子，地球上是得过小半年了。不过这仅仅是指金星自转一周的时间比我们长，我们过了117天，它刚完成一次自转，并不是指在金星上面感觉到的时间长度会更短。所以即便是真的把地球公转看成是“星空自转”，称之为天上的“一天”，也和神话里面说的不是一个意思。

时间都去哪儿啦

神话故事中，“天上”和“地上”的时间快慢不一样，而如果要在现实世界中寻找真正的“时间变慢”，就要借助爱因斯坦的“时空神器”——相对论。现在通常认为经典力学，也就是牛顿力学，只适用于宏观低速的世界。虽然生活中飞机火箭的速度很快，但是远小于光速，都只能算是“低速世界”。低速世界的各种“常识”，到了高速运动的世界就玩不转了。在爱因斯坦的狭义相对论里，就讨论了物体在高速运动时候的一些变化。比如，运动中的物体质量会变大、长度会变短，日常生活中的速度远小于光速，所以几乎看不出来物体质量的变化，但如果接近光速的话就会很明显（任何物体都无法超过光速）。而物体的质量具体大了多少、长度短了多少，相对论中是有公式可以计算的。

狭义相对论中和时间相关的一个现象叫作“时钟变慢”，也可以说是“时间膨胀”。假设一艘飞船相对于地球高速飞行，速度接近于光速，飞船上的时钟是会变慢的。这里所说的“慢”和平时钟表没电走不动了的那种不一样，飞船上的人看时钟是正常的，相对于飞船来说时钟并没有慢。但相对于飞船以外的地球来说，也就是在地球上看飞船的时钟是慢了的。慢了多少呢？也是有公式可以计算的，总之飞船越接近光速，就慢得越厉害。飞船上的时间和地球的时间是不一样的，飞船上的人刚过了一天，地球上的人可能已经过了好几天，如果飞船再快些，就会真的出现“飞船一天，地球一年”的现象。

而运动是相对的，飞船相对于地球在接近光速运动，地球相对于飞船也在接近光速运动，所以在飞船上的人看来，地球上的时间应该也同样变慢了。这样一来，到底是“天上一天，地上一年”还是“地上一天，天上一年”呢？实际上这和我们平时对时间的理解是不同的，可以简单理解为飞船上和地球上有各自的时间内体系，我玩我的，你玩你的。

那么问题又来了，假设“天上”和“地上”都看到对方的时间变慢了，孙悟空来到天上求助的时候，他和地上的唐僧都会觉得自己的一天是对方的一年，那么当孙悟空再回去的时候，到底谁比谁的时间慢？这其实就是著名的“双生子佯谬”问题：一对孪生兄弟，其中一个坐着接近光速的宇宙飞船旅行，另一个留在地面，当前者旅行回来的时候，到底谁比谁年龄大？实际上，狭义相对论讨论的是惯性参考系，飞船做匀速直线运动的时候没问题，但是当其中一人坐上飞船出发的时候，肯定会经过加速过程，回来的时候也肯定有减速过程，而这些过程中就不再是会“互相觉得对方慢”了，一般可以用广义相对论的内容来讨论和计算，得出的结论是：经历过加速、减速过程的“飞船兄弟”会更年轻。其中的原理可以简单理解为“加速”和“减速”的过程让坐飞船的兄弟时间真的变慢了，不过他并不会感觉“自己的时间过得慢”，而是感觉“别人过得快了”。

质量、引力与时空

《西游记》中并不存在神仙认为“天上一天，地上一年”的情况，也没听说神仙处于高速运动的状态，因此按照狭义相对论去找一个“高速运动的天宫”其实是有问题的。

而广义相对论认为加速度和引力效果是一样的，所以上面说的飞船“加速”和“减速”的这两个过程实际上和引力的效果是一样的，受到“双生子佯谬”案例的启发，想要实现“天上一天，地上一年”，可以考虑让“引力”发挥一定作用。这就是所谓的“引力时间膨胀”。

爱因斯坦认为，一个有质量的物体，会使得它周围的时空发生扭曲，而且物体质量越大，时空扭曲就越严重，这也是万有引力产生的原因。一个经典的比喻是，把一个小石块放在一个弹性薄膜上，薄膜就被压得凹下去，而旁边如果有沙子的话，就也容易向被这颗石子压凹陷的地方滚落。有质量的物体会让时空发生扭曲就类似于这种感觉。我们观察到的实际现象也证明了这一点，比如，来自遥远恒星的光线经过太阳的时候，会产生偏折，光会沿着大质量物体所形成的时空曲率前进。

2017年，对于“引力波”的探测获得了诺贝尔物理学奖，这里说的“引力波”就是两颗质量巨大的星体绕在一起转动引起的“时空扰动波浪”，就像石子投入水里那种感觉，只不过波动非常微弱，探测难度极大。

所谓的“时空扭曲”不仅包括空间的变化，引力大的地方时间也会变慢。所以离地面远的卫星上，时钟会比我们地面上快，需要进行修正。水星近日点进动 a 、引力红移 b 的现象也都证明了引力对时间的影响。但按道理说“天上”引力更小，应该时间过得更快呀？这要看怎么理解“天”的含义，“天”并不局限于大气层的范围内，以前说太阳、星星都在天上，所以可以认为“天上”指的是整个宇宙。如果有一颗引力非常大的星体，在其附近寻找到一个合适的位置，真的会发生“天上感觉过了一天，地上的人已经过了一年”这种现象，而且这种“引力时间膨胀”不是互相性的，不管是从天上看还是地上看，都是“天上一天，地上一年”。

广义相对论还预言了“黑洞”的存在，黑洞是引力非常强的一类“天体”，距离黑洞越近，引力就越大，时间也就越慢。而与黑洞接近到一定程度，就会出现“时间凝固”的现象，就是“时间已经慢到不再向前走了”，这时与黑洞之间的距离叫作“史瓦西半径”。一旦进入这个半径里面就再也出不来了，连光都出不来。半径里面的时空是什么样？谁也不知道。

当然，《西游记》里“天上一天，地上一年”的神话设定主要是剧情需要，如果没有这个设定，这么多神仙过了一年半载都没发现自己的坐骑不见了，也不去找回来，显然不合情理，而如果只让“坐骑”下界为妖几小时或一两天，可能也成就不了什么“霸业”。

不过根据现在的时空观点，如果这个“天”指的是整个宇宙的话，在理论上确实可能存在这么一个地方，那里过了一天，而我们这里已经过了一年。