相對論 一場關於時空的旅行

2014年，由克里斯托弗·諾蘭執導的科幻冒險電影《星際穿越》全球震撼上映，在迎來票房和口碑雙豐收的同時，也引發了一場人們對於時空旅行的思索和討論。

影片中，一隊探險家試圖通過蟲洞通道回到過去，尋找可拯救地球的植物和農作物。然而，當通過蟲洞的時候，他們發現飛船上的一個小時相當於地球上的七年時間。造化弄人，當主人公回到地球時，自己的女兒已經白髮蒼蒼，而父親卻和坐上小火箭離去的時候那麼年輕。當我們為凄美的故事唏噓不已時，我們不禁要問，時間真的可以變慢嗎？

答案是肯定的，影片中的這一情節正是根據確鑿的科學理論改編而成，這個理論正是相對論。

相對論是關於時空和引力的基本理論，主要由阿爾伯特·愛因斯坦創立，依據研究的對象不同分為狹義相對論和廣義相對論。研究對象是超越人們日常經驗的高速運動世界和廣闊的宇宙。

在狹義相對論中， 愛因斯坦提出的「四維空間」是一個時空的概念。簡單來說，我們的宇宙是由時間和空間構成。時空的關係，是在空間的架構上比普通三維空間的長、寬、高三條軸外又加了一條時間軸。

狹義相對論還認為，運動中的尺子會縮短，這就是著名的「尺縮效應」。人們平時處在低速運動中不會覺察，但如果以每秒26萬公里的速度運動時，一米的尺子就會縮成半米。狹義相對論表明，高速旅行會使時間變慢。假定將來人們能製造一艘接近光速飛行的宇宙飛船，從地球出發飛向遙遠的星系，來回的旅程僅僅幾年，但在此期間地球上已過去了幾千年。

這就是為什麼電影《星際穿越》 中，飛船上的一個小時相當於地球上七年時間的理論依據。

狹義相對論是由愛因斯坦在洛侖茲和龐加萊等人的工作基礎上創立的時空理論，是對牛頓時空觀的拓展和修正。 愛因斯坦以光速不變原理出發，建立了新的時空觀。

1915年，愛因斯坦把狹義相對論發展成廣義相對論。廣義相對論認為，沒有物質的時空是平坦的，有物質存在的時空就變得彎曲了，兩點之間的距離因物質的存在而被拉伸或擠壓。打一個直觀的比方，水平抻開的一塊布應該是平坦的，當你在布上放置一個鉛球後，布面就變得彎曲了，這時再放置一個小玻璃球在布上，它就會滾向中央的鉛球。同理，星球的質量使周圍的時空彎曲，星球上的「引力」實際上是一個時空被彎曲的現象。

根據廣義相對論，1939年美國物理學家奧本海默證明，假如星體質量聚集到一個足夠小的球狀區域里，引力的強烈擠壓會使那個天體的密度無限增大，然後產生災難性的坍塌，使那裡的時空變得無限彎曲，這就是人們常聽說的黑洞。廣義相對論是不可思議的想像力與合理性的完美結合，為理論物理學樹立了一個典範。

作為相對論的一個推論，愛因斯坦提出了著名的質能關係式：能量等於質量乘以光速的平方。在這一理論的指導下，1939年，科學家找到了通過核裂變把質量轉化為能量，釋放巨大原子能的鏈式反應，進而製造了原子彈，後來又利用核聚變發明了氫彈。而可以控制反應劇烈程度的核反應堆的和平利用，比如核電站、可控核反應堆供暖系統等極大地改善了人們的生活。

全球衛星定位系統也依賴於相對論。愛因斯坦指出：傳統的時間概念只能在簡單的條件下才能確定，當多種因素暫時聯繫起來的時候，傳統的計時方法就失去作用。全球定位衛星發出的信號，由於處在不同的參照繫上，時空無法和地面同步，只有根據衛星和地面的原子鐘不斷調整時間，才能保證定位系統的精確。

1976年，物理學家維索特和列文向太空發射了一枚載有時鐘的火箭。他們觀察到，這個時鐘與放置在地球上的時鐘相比，多獲得了1/10微秒。他們認為，為了在未來時光中旅行，就需要利用那些強度遠高於地球重力的引力場，比如中子星引力場。如果讓飛船到達一顆中子星上，就會在未來的時光中邁出一大步。

相對論發展了牛頓力學，極大地改變了人類對宇宙和自然的「常識性」觀念，提出的「同時的相對性」、「四維時空」、「彎曲時空」等全新的概念，讓整個科學界為之一震，推動物理學發展到一個新的階段。而人類對於相對論的創造性應用，也必將為我們的生活和未來帶來翻天覆地的變化。

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