你在這個宇宙中的位置不只是由空間坐標（何處）描述的，還是由時間坐標（何時）描述的。不經(jīng)歷時間而從一個空間位置移動到另一個位置是不可能的，另一方面，如果不了解所測量位置的引力場相對強度，就不可能精確地測量時間。
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。
氫原子中的電子躍遷，以及由此產(chǎn)生的光子的波長，展示了量子物理學(xué)中結(jié)合能的作用以及電子和質(zhì)子之間的關(guān)系。氫原子內(nèi)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）。
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。對于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，那么快速移動的時鐘將比靜止的時鐘經(jīng)歷更短的時間：這就是狹義相對論中的時間膨脹現(xiàn)象。
當一個物體的運動速度接近發(fā)出光的光速時，它發(fā)出的光會根據(jù)觀察者的位置而發(fā)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于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(guān)，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。那么，這些現(xiàn)象背后的物理學(xué)原理是什么呢？
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(zhì)量有關(guān)，而且與能量有關(guān)時，這才說得通。引力紅移是愛因斯坦廣義相對論的核心預(yù)測之一，但直到最近才在銀河系中心這樣的強引力場環(huán)境中得到直接驗證。
回答這一問題的基礎(chǔ)之一，便是普遍存在的物理學(xué)定律。盡管宇宙的屬性可能會隨著時間、能量或所處位置而發(fā)生改變，但支配宇宙的規(guī)則和基本常數(shù)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(fā)生電子躍遷，它們發(fā)出的光量子與宇宙中任何其他的氫原子都是一樣的。
同樣的道理也適用于離子躍遷、分子躍遷甚至核躍遷。也就是說，物理學(xué)定律在任何時間和任何地點都是一樣的，因此這些發(fā)射或吸收光子的躍遷總是在相同的能量下發(fā)生。然而，如果一個光子的發(fā)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(jù)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(fā)生輕微的變化。
當物體相對運動時，會出現(xiàn)被稱為多普勒效應(yīng)的物理現(xiàn)象。每當有急救車或消防車靠近或遠離時，大多數(shù)人都會體驗到多普勒效應(yīng)，表現(xiàn)為鳴笛聲的音調(diào)變化。簡而言之，多普勒效應(yīng)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(fā)出的頻率不一致的現(xiàn)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(xiàn)這種效應(yīng)：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(xiàn)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(yīng)該會發(fā)生同樣的效應(yīng)——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(fā)送一個光子到地球，由于太陽的引力場主導(dǎo)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，那么光子將獲得能量，顏色變得“更藍”。
物理學(xué)家格倫·雷布卡正在哈佛大學(xué)杰斐遜塔的下端設(shè)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(fā)出的光子不會被塔頂?shù)南嗤牧衔铡＿@項實驗證實了引力紅移的存在。
物理學(xué)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。這一概念非常復(fù)雜地涉及到時鐘運行的速率：在任何時間間隔內(nèi)經(jīng)過特定位置的波峰數(shù)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(fā)射一個光子應(yīng)該會導(dǎo)致可見的結(jié)果。這意味著，和大多數(shù)物理預(yù)測一樣，我們可以找到某種方法來檢驗引力紅移。
假設(shè)我們可以誘導(dǎo)一個量子躍遷，要么是電子的能級轉(zhuǎn)移，要么是被激發(fā)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(yīng)該就能夠吸收這個光子，因為導(dǎo)致光子發(fā)射的物理學(xué)機制也會導(dǎo)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(dǎo)致適當?shù)募ぐl(fā)態(tài)。
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(fā)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(fā)射源和接收器的相對速度（比如用振蕩器來驅(qū)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，被后世稱為龐德-雷布卡實驗。該實驗展示了引力紅移的存在，并試圖對其進行量化，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(nèi)設(shè)置了一個光子發(fā)射源，然后將處于較低能態(tài)的相同物質(zhì)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——那么高塔另一端的物質(zhì)應(yīng)該會接收到從這一端發(fā)射出來的光子。
當然，這些物質(zhì)并沒有接收到光子，因為這些光子的能量發(fā)生了變化，進而導(dǎo)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(jīng)歷時間的流逝速度略有不同，盡管差別非常微小。這是引力時間膨脹的結(jié)果，同樣適用于物理學(xué)家（如圖中拿著煙斗的喬治·伽莫夫）和非物理學(xué)家。
龐德和雷布卡所做的，就是建立一個振蕩器（基本上相當于一個揚聲器的內(nèi)部），使其能夠在塔的一端“增強”光子發(fā)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(diào)這種誘導(dǎo)的多普勒效應(yīng)，從而完全抵消引力的紅移。換言之，振蕩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(dǎo)致的效應(yīng)。
于是，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(fā)出的光子。最初的實驗證實了廣義相對論的預(yù)測，隨后龐德和斯奈德在20世紀60年代對其進行了改進。
最終的結(jié)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。這就相當于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——那么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(xiàn)在的測量手段要好得多，比如可以直接使用原子鐘技術(shù)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(jīng)發(fā)生了多次演變；過去，我們依賴于地球繞地軸旋轉(zhuǎn)或圍繞太陽旋轉(zhuǎn)的運動來定義時間，現(xiàn)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(tài)的兩個超精細結(jié)構(gòu)能級間會發(fā)生非常精確的躍遷，發(fā)射一個特定波長的光子。這個波動的9192631770個周期，就是現(xiàn)代國際單位制中對1秒的定義。
根據(jù)廣義相對論，如果把一個原子鐘——無論是基于銫、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(qū)（弱引力場）走得更快，在海拔較低的地區(qū)（強引力場）走得更慢。
原子鐘實驗已經(jīng)以驚人的精度驗證了這一點，科學(xué)家檢測到的預(yù)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(huán)境中，時間膨脹的效應(yīng)就會變得非?？捎^。宇宙中沒有比黑洞更極端的引力環(huán)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(jīng)過了幾百年、幾千年甚至是億萬年。
或許這已經(jīng)足以讓人擔(dān)心了。即使我們能夠建造蟲洞，劇烈的空間扭曲可能也會導(dǎo)致宇宙中整個有意義的部分——包含了恒星、星系以及各種有趣的化學(xué)反應(yīng)——在我們經(jīng)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里面的飛船。
在我們的宇宙中，對于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(zhì)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，但可以測量并量化，而且非常穩(wěn)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(yīng)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，相對于那些離你越遠的人，你所經(jīng)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，盡管可能只慢了幾納秒。