幾千年來，人類意識中對時間的默認概念都是“絕對時間”。然而，時間是相對的，因為引力和運動都會使時間膨脹。無論你身處何方，無論你移動的速度有多快，也無論你周圍的引力場有多強，你身上的任何時鐘都會以相同的速度，一分一秒地記錄著時間。

氫原子中的電子躍遷，以及由此產生的光子的波長，展示了量子物理學中結合能的作用以及電子和質子之間的關係。氫原子內電子躍遷能量最高的是萊曼-α躍遷（n=2到n=1），其次是可見的巴爾默-α躍遷（n=3到n=2）。

對於任何一個單獨的觀察者而言，時間確實就是這樣在不停地流動著。然而，如果有兩個不同的時鐘，你就可以比較時間在不同條件下是如何流動的。如果一個時鐘保持靜止，而另一個快速移動，那麼快速移動的時鐘將比靜止的時鐘經歷更短的時間：這就是狹義相對論中的時間膨脹現象。

當一個物體的運動速度接近發出光的光速時，它發出的光會根據觀察者的位置而發生偏移。左邊的人會看到光源在遠離，因此光會紅移；在光源右邊的人則會看到藍移。

更加違反直覺的是，時間的相對流動還取決於兩個地點之間空間扭曲程度的差異。在廣義相對論中，這與特定位置的引力強度有關，意味著當你站起來時，你的腳和你的頭實際上是在以不同的速度衰老。那麼，這些現象背後的物理學原理是什麼呢？

當一個量子輻射離開引力場時，它的頻率必須紅移以保存能量；當它進入引力場時，則肯定會藍移。只有當引力本身不僅與質量有關，而且與能量有關時，這才說得通。引力紅移是愛因斯坦廣義相對論的核心預測之一，但直到最近才在銀河系中心這樣的強引力場環境中得到直接驗證。

回答這一問題的基礎之一，便是普遍存在的物理學定律。儘管宇宙的屬性可能會隨著時間、能量或所處位置而發生改變，但支配宇宙的規則和基本常數是保持不變的。在宇宙中的任何地方，氫原子都會在相同的能量下發生電子躍遷，它們發出的光量子與宇宙中任何其他的氫原子都是一樣的。

同樣的道理也適用於離子躍遷、分子躍遷甚至核躍遷。也就是說，物理學定律在任何時間和任何地點都是一樣的，因此這些發射或吸收光子的躍遷總是在相同的能量下發生。然而，如果一個光子的發射體和一個光子的（潛在）吸收體不在同一時間和位置上，那它們所觀察到的能量很有可能就不一致。

從6S軌道開始的原子躍遷（Delta_f1）定義了米、秒和光速。根據運動和任意兩個位置之間空間曲率的特性不同，我們觀測到的光的頻率會發生輕微的變化。

當物體相對運動時，會出現被稱為多普勒效應的物理現象。每當有急救車或消防車靠近或遠離時，大多數人都會體驗到多普勒效應，表現為鳴笛聲的音調變化。簡而言之，多普勒效應就是波源與觀察者相對運動時，觀察者接受到波的頻率與波源發出的頻率不一致的現象。如果車輛正在接近你，那鳴笛聲會變得更尖細（頻率變高，波長變短）；如果車輛正遠離你，那鳴笛聲就會變得低沉（頻率變低，波長變長）。

對波動性的光而言，同樣也會出現這種效應：如果光源和觀察者彼此遠離，則光譜會向更長的波長（紅光方向）偏移，；而如果它們彼此相向運動，光譜就會向更短的波長（藍光方向）偏移。

現在，奇怪的事情來了：當你受到的引力場強度在不同位置間變化時，也應該會發生同樣的效應——即使每個人都是靜止的。正如光可以有多普勒紅移和藍移，引力也會有紅移和藍移。例如，如果從太陽發送一個光子到地球，由於太陽的引力場主導著太陽系，而且太陽附近的引力場強度比更遠的地方更強，因此光子在從太陽到地球的過程中會失去能量（變得“更紅”）。如果光子朝相反的方向移動，即從地球到太陽，那麼光子將獲得能量，顏色變得“更藍”。

物理學家格倫·雷布卡正在哈佛大學杰斐遜塔的下端設置實驗裝置，同時給龐德教授打電話。這就是著名的龐德-雷布卡實驗。在沒有進一步改動的情況下，從塔底發出的光子不會被塔頂的相同材料吸收。這項實驗證實了引力紅移的存在。

物理學界有許多懷疑論者，他們認為引力紅移的概念是完全非物理的。這一概念非常複雜地涉及到時鐘運行的速率：在任何時間間隔內經過特定位置的波峰數量決定了接收到的光頻率；如果引力紅移是真實的，那在不同強度的引力場中發射一個光子應該會導致可見的結果。這意味著，和大多數物理預測一樣，我們可以找到某種方法來檢驗引力紅移。

假設我們可以誘導一個量子躍遷，要么是電子的能級轉移，要么是被激發的原子核重新配置，從而釋放出一個高能光子。如果附近有一個相似的原子（或原子核），那它應該就能夠吸收這個光子，因為導致光子發射的物理學機制也會導致相反的過程：光子的吸收。

然而，如果你把光子移到更長的波長或更短的波長上，你都不能使它被吸收了。量子宇宙的定律是非常嚴格的，如果一個光子所攜帶的能量稍微多一點或少一點，它都無法導致適當的激發態。

一個光子源，比如一個放射性原子，如果光子的波長從源到目的地之間不發生不改變，它就有機會被同一種材料吸收。如果光子在引力場中向上或向下移動，就必須改變發射源和接收器的相對速度（比如用振盪器來驅動它）來進行補償。這是1959年龐德-雷布卡實驗的裝置示意圖。

1959年，羅伯特·龐德和格倫·雷布卡進行了一個引人注目的實驗，被後世稱為龐德-雷布卡實驗。該實驗展示了引力紅移的存在，並試圖對其進行量化，證明你頭上的時間確實過得你腳上的時間快。

實驗人員在一個垂直的高塔內設置了一個光子發射源，然後將處於較低能態的相同物質放在塔的另一端。如果沒有引力紅移——即時間對二者都是一樣的——那麼高塔另一端的物質應該會接收到從這一端發射出來的光子。

當然，這些物質並沒有接收到光子，因為這些光子的能量發生了變化，進而導致波長改變。

那些頭離地心較遠的人與頭離地心較近的人所經歷時間的流逝速度略有不同，儘管差別非常微小。這是引力時間膨脹的結果，同樣適用於物理學家（如圖中拿著煙斗的喬治·伽莫夫）和非物理學家。

龐德和雷布卡所做的，就是建立一個振盪器（基本上相當於一個揚聲器的內部），使其能夠在塔的一端“增強”光子發射的材料。他們推斷，如果能將其增強到合適的程度，就可以微調這種誘導的多普勒效應，從而完全抵消引力的紅移。換言之，振盪器會隨著時間的推移，通過增加額外的運動（以及額外的時間膨脹）來補償引力所導致的效應。

於是，當達到合適的頻率時，（鐵）原子突然間就開始吸收從高塔另一端發出的光子。最初的實驗證實了廣義相對論的預測，隨後龐德和斯奈德在20世紀60年代對其進行了改進。

最終的結論是：每增加1米的高度，就需要對大約33納米/秒的多普勒頻移進行補償。這就相當於在地球表面較低的地方，你需要以一定的速度運動，才能使時間流逝的速度與你在高處時相同。換句話說，在地球重力場中，如果低處的東西沒有額外的速度提升——即沒有額外的時間膨脹——那麼時間會在更高處流逝得更快。更直白地說，你的頭會比你的腳衰老得更快。

當然，相比最初的那些實驗，我們現在的測量手段要好得多，比如可以直接使用原子鐘技術來測量時間的流逝。許多世紀以來，人類定義時間的方式已經發生了多次演變；過去，我們依賴於地球繞地軸旋轉或圍繞太陽旋轉的運動來定義時間，現在，我們可以通過銫-133原子來定義1秒鐘有多久。

在銫-133原子中，原子基態的兩個超精細結構能級間會發生非常精確的躍遷，發射一個特定波長的光子。這個波動的9192631770個週期，就是現代國際單位制中對1秒的定義。

根據廣義相對論，如果把一個原子鐘——無論是基於銫、汞、鋁或任何其他元素——移動到不同的海拔高度時，它就會以不同的速度運行：在海拔較高的地區（弱引力場）走得更快，在海拔較低的地區（強引力場）走得更慢。

原子鐘實驗已經以驚人的精度驗證了這一點，科學家檢測到的預測高度差異變化最小可到0.33米。在地球的重力場相對較弱的情況下，這是一項了不起的成就，表明了原子鐘計時的準確性。

然而，如果我們把原子鐘帶到一個更極端的環境中，時間膨脹的效應就會變得非常可觀。宇宙中沒有比黑洞更極端的引力環境了。如果接近黑洞的事件視界，時間對你來說會過得非常慢，你所感受到的1秒鐘，對相距遙遠的人而言可能已經過了幾百年、幾千年甚至是億萬年。

或許這已經足以讓人擔心了。即使我們能夠建造蟲洞，劇烈的空間扭曲可能也會導致宇宙中整個有意義的部分——包含了恆星、星係以及各種有趣的化學反應——在我們經過其中時無暇顧及。

穿越蟲洞是一個迷人的命題，但如果時間像在黑洞附近那樣膨脹的話，當你從蟲洞的一端旅行到另一端時，整個宇宙可能都會與你擦身而過——前提是這一旅程不會摧毀蟲洞裡面的飛船。

在我們的宇宙中，對於那些在空間中運動距離最少，且所處空間曲率最小的觀察者來說，時間會過得最快。如果能到遠離任何物質來源的星系際空間旅行，你會比任何人衰老得更快。在地球上，你離地心越遠，時間過得就越快。這種影響非常輕微，但可以測量並量化，而且非常穩定。

這意味著，如果你想在未來進行時間旅行，最好的選擇可能不是進行一趟漫長的、以接近光速往返的旅程，而是應該在空間曲率較大的地方逗留，比如黑洞或中子星附近。當你進入引力場越深，相對於那些離你越遠的人，你所經歷的時間就會越慢。對生活在地球上的我們來說，站著——讓頭更遠離地心——確實會讓時間過得比躺著更慢一些，儘管可能只慢了幾納秒。