相对论 一场关于时空的旅行

　 　2014年，由克里斯托弗·诺兰执导的科幻冒险电影《星际穿越》全球震撼上映，在迎来票房和口碑双丰收的同时，也引发了一场人们对于时空旅行的思索和讨论。

　　影片中，一队探险家试图通过虫洞通道回到过去，寻找可拯救地球的植物和农作物。然而，当通过虫洞的时候，他们发现飞船上的一个小时相当于地球上的七年时间。造化弄人，当主人公回到地球时，自己的女儿已经白发苍苍，而父亲却和坐上小火箭离去的时候那么年轻。当我们为凄美的故事唏嘘不已时，我们不禁要问，时间真的可以变慢吗？

　　答案是肯定的，影片中的这一情节正是根据确凿的科学理论改编而成，这个理论正是相对论。

　　相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由阿尔伯特·爱因斯坦创立，依据研究的对象不同分为狭义相对论和广义相对论。研究对象是超越人们日常经验的高速运动世界和广阔的宇宙。

　　在狭义相对论中， 爱因斯坦提出的“四维空间”是一个时空的概念。简单来说，我们的宇宙是由时间和空间构成。时空的关系，是在空间的架构上比普通三维空间的长、宽、高三条轴外又加了一条时间轴。

　　狭义相对论还认为，运动中的尺子会缩短，这就是著名的“尺缩效应”。人们平时处在低速运动中不会觉察，但如果以每秒26万公里的速度运动时，一米的尺子就会缩成半米。狭义相对论表明，高速旅行会使时间变慢。假定将来人们能制造一艘接近光速飞行的宇宙飞船，从地球出发飞向遥远的星系，来回的旅程仅仅几年，但在此期间地球上已过去了几千年。

　　这就是为什么电影《星际穿越》 中，飞船上的一个小时相当于地球上七年时间的理论依据。

　　狭义相对论是由爱因斯坦在洛仑兹和庞加莱等人的工作基础上创立的时空理论，是对牛顿时空观的拓展和修正。 爱因斯坦以光速不变原理出发，建立了新的时空观。

　　1915年，爱因斯坦把狭义相对论发展成广义相对论。广义相对论认为，没有物质的时空是平坦的，有物质存在的时空就变得弯曲了，两点之间的距离因物质的存在而被拉伸或挤压。打一个直观的比方，水平抻开的一块布应该是平坦的，当你在布上放置一个铅球后，布面就变得弯曲了，这时再放置一个小玻璃球在布上，它就会滚向中央的铅球。同理，星球的质量使周围的时空弯曲，星球上的“引力”实际上是一个时空被弯曲的现象。

　　根据广义相对论，1939年美国物理学家奥本海默证明，假如星体质量聚集到一个足够小的球状区域里，引力的强烈挤压会使那个天体的密度无限增大，然后产生灾难性的坍塌，使那里的时空变得无限弯曲，这就是人们常听说的黑洞。广义相对论是不可思议的想象力与合理性的完美结合，为理论物理学树立了一个典范。

　　作为相对论的一个推论，爱因斯坦提出了著名的质能关系式：能量等于质量乘以光速的平方。在这一理论的指导下，1939年，科学家找到了通过核裂变把质量转化为能量，释放巨大原子能的链式反应，进而制造了原子弹，后来又利用核聚变发明了氢弹。而可以控制反应剧烈程度的核反应堆的和平利用，比如核电站、可控核反应堆供暖系统等极大地改善了人们的生活。

　　全球卫星定位系统也依赖于相对论。爱因斯坦指出：传统的时间概念只能在简单的条件下才能确定，当多种因素暂时联系起来的时候，传统的计时方法就失去作用。全球定位卫星发出的信号，由于处在不同的参照系上，时空无法和地面同步，只有根据卫星和地面的原子钟不断调整时间，才能保证定位系统的精确。

　　1976年，物理学家维索特和列文向太空发射了一枚载有时钟的火箭。他们观察到，这个时钟与放置在地球上的时钟相比，多获得了1/10微秒。他们认为，为了在未来时光中旅行，就需要利用那些强度远高于地球重力的引力场，比如中子星引力场。如果让飞船到达一颗中子星上，就会在未来的时光中迈出一大步。

　　相对论发展了牛顿力学，极大地改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出的“同时的相对性”、“四维时空”、“弯曲时空”等全新的概念，让整个科学界为之一震，推动物理学发展到一个新的阶段。而人类对于相对论的创造性应用，也必将为我们的生活和未来带来翻天覆地的变化。