時空是怎麼穿越的？

【導讀】看過電影《星際穿越》的人對時空穿越印象深刻，其實將時空作為獨特的物理現象來研究已成必然，相對論則革新了人類對時空關係的認識。上海市政府參事、上海工程技術大學程維明教授，日前在上海圖書館講述《空間與時間——物理學的思考》，告訴我們時空是如何穿越的。

我們經常認為時間可以穿越，人在空間走動，不僅可以做二維的平面走動，還可以乘電梯上下，在三維空間裡面自由穿越，而且穿越空間的速度是可以分解的。比方說我們要到河對岸去，有一個船從A點我們對準了B點，但實際上你到達的是C點，為什麼？因為水在流動，船速是v，水速是u，兩個合成的速度使得我們到達了C點。

不僅我們可以穿越空間，也可以穿越時間。比如坐在這裡不動，我們沒有穿越空間，但在穿越時間，現在講話的這一瞬間跟前一秒鐘就不一樣了，這是不以你的意志為轉移的。如果說我們在空間運動，那麼就是我們把穿越時間的運動一部分，分解到空間里去，那麼此時，時間軸上的這個分量會變得小，即：由於運動時間會變慢。

狹義相對論講光速不變

狹義相對論相識當時提出來說，任何一個物體穿越時間和穿越空間的合速度合起來的速度就是光速。「一寸光陰一寸金」是真的。

我們在空間裡面快速的運動時，也在時間裡面運動，我們就慢慢的，我們的光速里的運動一部分就分解到在空間中的運動，那麼這個就是我們講我們在穿越時間和空間。你坐著不動，也會變老，一秒、兩秒不會變，十年，看你不老？我們穿越時間跟穿越空間，這實際上就是從狹義相對論裡面導出來的一個結果。

光子它在空間是以光速在運動，那麼光子的時間是平直的。光子從宇宙大爆炸開始產生以來，就沒有變老過。其它的很多基本粒子都會衰減，光子不會衰減。不過目前的技術手段沒有辦法使得我們宏觀的物體能夠達到跟光速可以相對的速度，但是微觀粒子繆子（音）的產生，一種是宇宙射線裡面產生，另外一種是加速器裡面可以，繆子（音）的靜止狀態下的壽命是百萬分之二秒，那麼在加速器裡面把它加速到光速的99.5%的時候，就可以觀察到它的壽命可以增加到十倍左右，這個就是狹義相對論的一個驗證。

狹義相對論只適合慣性參考系，只適合於勻速直線運動或者靜止的狀態。它的基本出發點是兩條：一個是光速不變原理，另外一個是物理定律不變。

牛頓：引力的傳播不需要時間

牛頓的萬有引力非常重要，他提出引力的超距作用。牛頓認為引力的傳播不需要時間，這跟狹義相對論相矛盾（狹義相對論認為任何物體的傳播速度都不能超過光速）。

想像一下，你睡著了，醒來時在電梯里，你看到電梯里的物體都漂浮起來，你怎麼來判斷所乘的電梯是在做自由落體呢？還是就漂浮在沒有任何引力的宇宙空間裡面？如果醒來時你穩穩地站在電梯的地板上，你感覺到跟平時站家裡一樣，這時，電梯停到哪裡受到引力的作用呢？在密閉的電梯里你沒有辦法判斷，你感覺到了一個力，你沒辦法知道這個力的產生是由於引力的產生，還是由於加速度的產生？

愛因斯坦：引力的本質就是加速度

愛因斯坦當時發現了加速度跟引力之間的關係，提出來一個等效原理，就是說無論用任何動力學的方法，你是不能分辨引力場和加速度所產生的效應。愛因斯坦認為引力的本質就是加速度。任何一個參考系就是慣性系與引力場的綜合。慣性系是做勻速直線運動，當你做加速運動的時候就是一個引力場的作用，或者說一個加速度的作用。我們在地鐵裡面，地鐵從車站開出來的時候，大家會感覺到有一個向後的力在拉你，拉手懸會向後斜，這個是由於地鐵加速的作用。但是你也可以想像是在我們後面有一個巨大的引力場在吸引，兩個效果是完全一樣的，這就是等效原理。

在靜止狀態下圓的周長跟直徑之比是π，或者說跟半徑之比就是2π。那麼如果有運動呢？想像有一個大轉盤在快速旋轉，顯然它會產生一個加速度，這個加速度可以用來模擬引力，這時來測量環的周長和半徑。怎麼測？我們拿把尺就像過去布店裡面量布一樣，一把尺一把尺翻過去量，用尺沿著圓周測量，由於運動，尺的長度就會縮短，本來靜止狀態下10次可以量完的，現在可能要量11次，我們不知道尺在變，感覺周長變長了。再量半徑，半徑跟運動方向是垂直的，尺是不會縮短的，所以半徑沒有變化。周長變長半徑沒有變化，換句話說在運動狀態下，周長與半徑的比值就會大於2π，顛覆了小學裡學的數學概念。這是怎麼回事？愛因斯坦解釋說只有在平面上，圓周長跟半徑之比才是2π。我們講的平面幾何叫奧基里德幾何學，包括三角形的內角和是180度，過直線外一點只能做一條平行的線。但是在球面上圓周長跟半徑之比是小於2π的，在馬鞍面上，圓周長跟半徑之比是大於2π的，這個就是是黎曼幾何。當時愛因斯坦為了搞清楚這個還專門向黎曼請教。結論是，在加速運動中，有加速的運動中，空間發生了彎曲，周長跟半徑之比大於2π，不等於2π。

時空發生了彎曲

實際上不僅空間發生了彎曲，時間也同樣發生了彎曲。就是說當你有加速運動的時候，會產生時空彎。

把空間想像成一個二維網，中間如果說是有一個大致質量的物體（人是一個小質量生命），地球的質量還不夠大，如果有一個太陽的話，那巨大的引力使得周圍的時空發生彎曲。為什麼會圍繞太陽做公轉運動？地球實際上是在彎曲的路線裡面繞著阻力最小的這條路線繞太陽在公轉。為什麼阻力最小的路線是這樣的呢？就是太陽使得周圍的時空發生了彎曲，也就是說我們感覺到受到引力的作用。在地球上也是一樣，如果說我們要克服地球的引力，我們要跳出地球的話，我們必須有一個巨大的火箭來使得我們獲得足夠大的加速度來克服地球所產生的引力，所產生的時空彎曲，我們才能夠跳出去。

光線的彎曲

在幾何光學裡面，光有幾個傳播定律，其中一個光的直線傳播定律，但是光線在特殊情況下是會彎曲的。如果你在一部自由落體的電梯裡面，所有的東西都會漂浮起來，眼前有一個小的玻璃球，輕輕彈它一下，玻璃球就會勻速直線向前運動。在電梯裡面的人來看，它是勻速直線向前運動。在地面上看這部自由落體的電梯裡面發生的情況，就不是這樣，小球的勻速直線運動和電梯的自由落體的這兩個速度的合成，使地面上的人看到小球實際上是一條拋物線的運動。我們把小球換成光線，打開手電筒，把光線想像成是一個個的光子，這個時候你在自由落體的電梯裡面，你看到的光線當然是直線傳播，而站在里地面上的人來看，你是在加速運動，這兩個的合成，光線就像小球一樣以一條拋物線運動，只不過光的傳播速度非常快，你看到的這個拋物線是不太明顯。我們加大地球的引力，想像不是站在地球上，而是站在引力是地球的引力十倍、一百倍、一千倍的星球上面，這個時候它的自由落體的速度就會快的多，就會以同樣的倍數增加，它的加速度以同樣的倍數增加，這個時候我們看到光線的彎曲就會變得比較明顯。也就是說光線的彎曲是跟什麼有關？是跟它的加速度有關，是跟引力的大小有關係，實際上還是時空彎曲，也就是光線在巨大引力的作用下，是會造成光線的彎曲。

▲光線彎曲的程度主要取決於引力場的強弱

敵對國花巨款驗證愛因斯坦廣義相對論

廣義相對論也是預言了很多，光線在引力場中彎曲，引力波、黑洞等。其第一個驗證就是水星的近日點進動。八大行星里離太陽最近的是水星，水星繞太陽的軌道是個橢圓，地球繞太陽軌道也是一個橢圓。水星的近日點離開太陽的距離大概只有地球離開太陽的距離的三分之一左右，換句話說，它受到的太陽的引力比地球所受到的向太陽的引力要強大的多。它的近日點不斷的在移動，100年觀察到的累計變化43.11秒，這個秒是角秒。從地球上看過去它是一個角度，很小的一個角度，這個角度100年才變化43.11角秒，沒有辦法解釋，不知道什麼原因。愛因斯坦認為正是由於太陽的巨大質量，使得它的時空彎曲，造成了水星在近日點位置的變化。另外一個預言就是星光實驗，根據廣義相對論光線在通過大質量的物體的時候會發生彎曲。一顆恆星的光如果說緊貼著太陽，到達地球的時候會發生偏轉，偏轉角度更加小，實際上只有在日全食時才能觀察到。

1919年，英國一個科學家要說服英國科學界組織一個耗資非常大的行動，去驗證敵對國科學家愛因斯坦的成果，在5月、11月兩次觀察出來的結果是一個是1.98秒和1.61秒。愛因斯坦預言是1.7秒，當時就認為這個是對於相對論最有利的一個支持，因為他確實看到了星空的彎曲。後來在1973年又做了一次，最後得到的結果是1.66秒，跟愛因斯坦的預言1.7秒吻合，完美地驗證了廣義相對論。

引力波去年被觀察到

引力波是1915年被提出，100年了，星光實驗沒過幾年它就被驗證了。

▲引力波打開門

但是引力波預言始終觀察不到，因為引力波發生的事件離地球非常遙遠，地球上非常微弱，要觀察到非常困難。去年2月16日，美國國家基金會宣布說人類首次探測到了引力波，正好離開愛因斯坦預言100年。實際上這個引力波觀察到是2015年的9月，觀察到有兩個黑洞合併以後損失了一部分的能量，這一部分的能量就是引力波向外傳播。當時非常謹慎，很多中國科學家參與到這個項目里，最後確定不是引力播波事件的可能性小於百萬分之一才對外宣布，人類探測到了引力波。

黑洞吸走了時光

黑洞也是愛因斯坦理論的預言。引力非常巨大，當時空彎曲到一定程度，連光都不能從區域裡面逃脫出來，就是黑洞。計算出來如果把地球變成黑洞的話，地球的黑洞半徑是9個毫米，就是說我們如果把地球壓縮到比一個乒乓球還要小，地球就變成一個黑洞了。當然我們很難想像它裡面的密度會大到什麼樣的程度，現在我們知道在我們可觀察的大部分星系的中心，包括銀河系，銀河系中心也有一個質量非常巨大的的黑洞。

▲《星際穿越》

美國電影《星際穿越》里三個宇航員飛船到了一個黑洞附近，他們要下到一個行星上，兩個宇航員要下去，一個留守在飛船上。下到行星上面去了以後，那個行星上面都是水，他們下去了十幾個小時，然後返回到飛船上，那個飛船上留守的人說：「你們怎麼去了么久，我已經等了25年。」這個情節就是說由於飛船到了行星表面引力非常大，它是在黑洞費附近，引力場的作用使得他們下到那個行星上的兩個宇航員的時間變的非常慢，他們感覺只過了十幾個小時，而留在飛船上的宇航員已經過了25年，這跟我們的思維實驗例子是差不多的。

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