相對(duì)論
阿爾伯特?愛(ài)因斯坦的相對(duì)論在20世紀(jì)的物理學(xué)和天文學(xué)領(lǐng)域掀起了巨大的革命。它向科學(xué)引進(jìn)了“相對(duì)論”的概念——這個(gè)概念說(shuō)的是在宇宙中，沒(méi)有什么事物是處于絕對(duì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的，只有相對(duì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)——取代了艾薩克?牛頓兩百年來(lái)的機(jī)械理論。愛(ài)因斯坦說(shuō)明了我們并不是居住在一個(gè)平坦的，歐幾里得空間和統(tǒng)一絕對(duì)的時(shí)間里，而是居住在另外一個(gè)時(shí)空彎曲的環(huán)境中。這個(gè)理論預(yù)先在物理學(xué)中占據(jù)了重要地位，它帶著潛在的利弊，宣告了原子時(shí)代的到來(lái)。這使得人們能夠理解基礎(chǔ)粒子和它們相互作用的微波世界。它也改變了人們對(duì)宇宙的看法，比如對(duì)大爆炸、中子星、黑洞、重力波這些奇異的天文現(xiàn)象的預(yù)測(cè)。
相對(duì)論是一個(gè)單一的，包含了所有時(shí)空、重力和機(jī)械學(xué)的理論。然而它通常被看做是兩個(gè)獨(dú)立的理論部分——狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論。這樣分類(lèi)的一個(gè)原因是愛(ài)因斯坦在1905年提出了狹義相對(duì)論，而廣義相對(duì)論直到1916年才在最終版中被提出來(lái)。另一個(gè)原因是，這個(gè)理論的兩個(gè)部分適用于不同的領(lǐng)域：狹義相對(duì)論適用于微觀物理須領(lǐng)域，而廣義相對(duì)論適用于天體物理學(xué)和宇宙學(xué)領(lǐng)域。
第三個(gè)原因是，物理學(xué)家到了20世紀(jì)20年代才能接受和理解狹義相對(duì)論的概念。狹義相對(duì)論很快成為了那個(gè)時(shí)候迅速發(fā)展的原子物理學(xué)以及量子力學(xué)領(lǐng)域中的理論家和實(shí)驗(yàn)家的一個(gè)工作道具。然而，廣泛的接受并不是廣義相對(duì)論出現(xiàn)的原因。這個(gè)理論似乎并沒(méi)有和狹義理論有直接的聯(lián)系。大部分的應(yīng)用還是用于天文學(xué)的標(biāo)度上。廣義相對(duì)論很明顯地受制于添加了極小修正后的牛頓萬(wàn)有引力理論。此外，其數(shù)學(xué)理論被認(rèn)為是極其難以理解的。英國(guó)的天文學(xué)家愛(ài)丁頓爵士（Sir Arthur Eddington）是第一個(gè)能全面理解這個(gè)理論的人，曾經(jīng)有人問(wèn)及，是否在這個(gè)世界上只有三個(gè)人能理解廣義相對(duì)論。據(jù)說(shuō)他的回答是：“誰(shuí)是那第三個(gè)人？”
這種情形持續(xù)了大約四十年。廣義相對(duì)論不僅對(duì)物理學(xué)家，而且對(duì)于純粹的數(shù)學(xué)家和哲學(xué)家而言都是一門(mén)可敬的學(xué)科。然而，大概在1960年，人們對(duì)廣義相對(duì)論的興趣再次復(fù)蘇，使其成為物理學(xué)和天文學(xué)里的一個(gè)重要分支。這次復(fù)蘇有其根源。首先，在大約1960年初，新的數(shù)學(xué)工具在廣義相對(duì)論上的運(yùn)用，使得計(jì)算大大得到了簡(jiǎn)化，這讓物理上的重要概念能同數(shù)學(xué)上的復(fù)雜性分別開(kāi)來(lái)；第二，廣義相對(duì)論在發(fā)現(xiàn)外來(lái)天象上起著重要作用，其中包括類(lèi)星體（1963），3開(kāi)氏度微波背景輻射（1965），脈沖星（1967）和發(fā)現(xiàn)黑洞的可能（1971）。此外，在20世紀(jì)60和70年代，隨著科技的進(jìn)步，新的高精密工具在實(shí)驗(yàn)中得到運(yùn)用，能測(cè)試出廣義相對(duì)論是否是正確的重力理論。
狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論中彎曲的時(shí)空之間的最大區(qū)別是程度上的不同。狹義相對(duì)論通常是接近于彎曲的時(shí)空，這個(gè)彎曲的時(shí)空在足夠小的時(shí)空區(qū)域里是有效的，就如一個(gè)蘋(píng)果的整個(gè)表面如果取極小的一段來(lái)看也接近于平面一樣。針對(duì)在原子或者原子核物理中的大量應(yīng)用，這種接近值非常精準(zhǔn)，精準(zhǔn)到相對(duì)作用能被假定為是正確的，換句話說(shuō)，重力被假定為是完全不存在的。從這點(diǎn)看來(lái)，狹義相對(duì)論和它所有的推論都有可能來(lái)自于一個(gè)簡(jiǎn)單的假設(shè)。但是在重力條件下，狹義相對(duì)論近似其自然本性，對(duì)等原則決定了物質(zhì)是如何回應(yīng)彎曲時(shí)空的。最后，廣義相對(duì)論是為了了解時(shí)空在物質(zhì)存在下，能夠彎曲到何種程度。
狹義相對(duì)論
狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本概念是慣性框架和相對(duì)論準(zhǔn)則。慣性框架可以指向任何領(lǐng)域，比如自由落體實(shí)驗(yàn)，即所有物體都作勻速直線運(yùn)動(dòng)。這個(gè)領(lǐng)域擺脫了重力原則，被稱為伽利略系統(tǒng)。
自由落體是重力的基本表現(xiàn)。比如，一個(gè)下墜的物體，被扔入空氣中，在它的運(yùn)動(dòng)軌道上的任意一點(diǎn)都是自由落下的。盡管被許多天體的重力場(chǎng)所干擾，物體也許不會(huì)真正的朝著地心落下。當(dāng)一個(gè)在一個(gè)容器里面自由落下時(shí)也是自由落體，并且體現(xiàn)了失重的現(xiàn)象。重力對(duì)人和容器都有相同的影響，所有對(duì)于容器來(lái)說(shuō)沒(méi)有加速的感覺(jué)。
相對(duì)論準(zhǔn)則是，假設(shè)所有的物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果都在一個(gè)慣性坐標(biāo)系的實(shí)驗(yàn)室中，那么這些結(jié)果相對(duì)于坐標(biāo)系的勻速運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立的。換句話說(shuō)，在任何慣性坐標(biāo)系中物理規(guī)律都必須有相同的形式。那么可以得出一個(gè)推論，無(wú)論光來(lái)源的速度或者觀察者的原因，光的速度在慣性框架中肯定是一樣的。事實(shí)上，所有的規(guī)律和狹義相對(duì)論的結(jié)果都來(lái)源于這些概念。
第一個(gè)重要的結(jié)果就是同時(shí)性相對(duì)論。因?yàn)樵诓煌瑓^(qū)域里的同時(shí)事件的操作性定義包含了他們之間光信號(hào)的傳遞，所以，當(dāng)一個(gè)坐標(biāo)系相對(duì)于另一個(gè)坐標(biāo)系進(jìn)行移動(dòng)時(shí)，在一個(gè)慣性坐標(biāo)系內(nèi)同時(shí)進(jìn)行的兩件事情將不會(huì)同時(shí)進(jìn)行。這個(gè)結(jié)論將推翻牛頓一個(gè)著名的概念，即通用時(shí)間。在一些方面，狹義相對(duì)論最重要的結(jié)論是，當(dāng)它與量子力學(xué)合并時(shí)，它引導(dǎo)了許多對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的預(yù)測(cè)。
相對(duì)論的數(shù)學(xué)基準(zhǔn)是1908年，由一位德國(guó)數(shù)學(xué)家赫爾曼?閔可夫斯基（Hermann Minkowski）發(fā)明的。他發(fā)展了“四維時(shí)空連續(xù)統(tǒng)”的概念，這個(gè)理論包含了時(shí)間及三個(gè)空間維度。
對(duì)等原則和時(shí)空曲率
狹義相對(duì)論的閔可夫斯基時(shí)空理論與重力存在不相容。當(dāng)一個(gè)地球的粒子，在一個(gè)坐標(biāo)系中具有慣性，但在一個(gè)重力場(chǎng)可以忽略不計(jì)的地方，那么這個(gè)粒子在地球附近將不會(huì)有慣性。然而，這兩者的近似兼容的性質(zhì)可以被一個(gè)著名的重力理論證實(shí)，這個(gè)理論被稱為弱等效原理（WEP）：所有規(guī)模不大的物體，在所提供的外界重力領(lǐng)域內(nèi)，無(wú)論其質(zhì)量、成分或者結(jié)構(gòu)如何，它們都有相同的加速度。這個(gè)原則的正確性已經(jīng)被伽利略、牛頓、弗里德里希?貝塞爾（Friedrich Bessel）以及20世紀(jì)初的巴隆?羅蘭?馮?伊洛特洛斯（Baron Roland von Eotvos）證實(shí)（此后這樣的實(shí)驗(yàn)都是以為他的名字命名的）。如果一個(gè)觀察者在重力環(huán)境下乘坐一部自由落下的電梯，因?yàn)樗麄兌际且酝凰俾事湎拢敲措娞輧?nèi)所有物體最后都會(huì)沿直線勻速運(yùn)動(dòng)，如重力已經(jīng)消失一樣。相反的，在一個(gè)沒(méi)有任何重力的空間里，一個(gè)加速運(yùn)動(dòng)的電梯內(nèi)，物體會(huì)以相同的加速度落下（因?yàn)樗鼈兊膽T性），就像處在重力領(lǐng)域中一樣。
愛(ài)因斯坦的觀點(diǎn)是，在無(wú)重力領(lǐng)域中，這種消失的重力的情況不僅僅適用于機(jī)械運(yùn)動(dòng)，還適用于所有的物理規(guī)律，如電磁理論。因此，在任何自由落體坐標(biāo)系中，物理規(guī)律（至少是本地的）應(yīng)該采納狹義相對(duì)論的理論。這被稱為愛(ài)因斯坦等效原理（EEP）。
EEP的其中一個(gè)理論就是重力紅位移，在一個(gè)頻率上的位移，f代表光線，這條光線在重力領(lǐng)域中穿過(guò)高度h，給出了一個(gè)公式（Δ f）/f=gh/c^2，g代表了重力加速度，c代表光的速率。（如果光線頻率下降，它就是藍(lán)移位。）EEP第二個(gè)推測(cè)就是空間時(shí)間是可以被彎曲的。即使這是一個(gè)高科技的事件，物理學(xué)家設(shè)想一個(gè)兩個(gè)坐標(biāo)系自由落體的例子，但是在地球相反的一面進(jìn)行。根據(jù)愛(ài)因斯坦等價(jià)原理，閔可夫斯基時(shí)空原理在本地的每個(gè)坐標(biāo)系中都是有效的。然而，因?yàn)樽鴺?biāo)系在朝各自靠近時(shí)是加速運(yùn)動(dòng)的，兩個(gè)閔可夫斯基時(shí)空在它們遇到并且契合成一個(gè)時(shí)，不能進(jìn)行延展。在重力演示中，時(shí)空在局部是一個(gè)平面，但是在球體上是彎曲的。
任何包含了愛(ài)因斯坦等價(jià)原理的重力理論都被稱為“量度”理論（來(lái)自于幾何學(xué)，重力的彎曲時(shí)空觀點(diǎn)）。因?yàn)榈葍r(jià)原理是這個(gè)觀點(diǎn)的關(guān)鍵基礎(chǔ)，它需要被精確的測(cè)試。伊洛特洛斯試驗(yàn)的版本于1964年在普林斯頓以及1971年在莫斯科進(jìn)行演示，這個(gè)實(shí)驗(yàn)把EEP精確到了10^（-12）。重力紅位移測(cè)量用于：1965年在哈佛大學(xué)，一條伽馬線穿過(guò)了一座塔；1965年太陽(yáng)表面放射的光線1976年用于飛機(jī)和火箭的自動(dòng)鬧鐘，這些都證實(shí)了EEP的推測(cè)要精準(zhǔn)得多。
廣義相對(duì)論
等價(jià)原理和它的試驗(yàn)都證明了，時(shí)空的扭曲是被一種事物牽連，但是它們還不能說(shuō)明時(shí)空曲率問(wèn)題到底產(chǎn)生了多少能量。為了確定這個(gè)曲率，我們需要一個(gè)具體的重力公測(cè)原理，如廣義相對(duì)論。廣義相對(duì)論提供了一個(gè)方程組，從一個(gè)所給的物質(zhì)分布上得到時(shí)空曲率的預(yù)算。愛(ài)因斯坦的目的是找到一個(gè)最簡(jiǎn)單的場(chǎng)方程來(lái)建立一系列的時(shí)空曲率和把物質(zhì)分布作為一種資源的理論。這個(gè)結(jié)論是一組10個(gè)方程式。而這不是唯一一個(gè)公測(cè)原理。在1960年，除了曲率的場(chǎng)論方程和額外的引力場(chǎng)，引力場(chǎng)用曲率產(chǎn)生的方法來(lái)調(diào)解和論證的方程式，C.H布蘭斯（C.H.Brans）和羅伯特?迪克（Robert Dicke）還發(fā)展和發(fā)表了測(cè)量理論。1960年到1976年之間，這個(gè)理論變成了廣義相對(duì)論的主要對(duì)手。1916后，許多其他的測(cè)量理論出現(xiàn)。
至此，最重要的是廣義相對(duì)論是否真的是正確的重力理論。過(guò)去科學(xué)家經(jīng)常說(shuō)愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)了3個(gè)經(jīng)典理論：重力紅位移、光偏轉(zhuǎn)和水星近日點(diǎn)的轉(zhuǎn)變。然而，紅位移是一個(gè)基于方程式的測(cè)試，而不是廣義相對(duì)論本身。直到愛(ài)因斯坦時(shí)代，還有兩個(gè)新的重要測(cè)試被發(fā)現(xiàn)：一是夏皮羅二世（I.I.Shapiro）于1964年發(fā)現(xiàn)的時(shí)間延遲和1968年諾特維特發(fā)現(xiàn)的諾特維特效應(yīng)。
1919年的日食探險(xiǎn)確立了光偏正原理，這是廣義相對(duì)論的重要時(shí)刻，也奠定了愛(ài)因斯坦的理論框架。根據(jù)這個(gè)理論，如果光線擦過(guò)太陽(yáng)表面，那么將會(huì)已1.75″的電弧方向穿透扭曲的時(shí)空。不幸的是光學(xué)星光的撓度測(cè)量起來(lái)非常困難（一部分是因?yàn)槿帐常谧×颂?yáng)的光），而且1919年到1973年的重復(fù)測(cè)量得出的是不準(zhǔn)確的結(jié)果。這個(gè)理論被無(wú)線電波的撓度取代，這個(gè)電波來(lái)自于遙遠(yuǎn)的類(lèi)星體并用于在白天大量采用的干擾程序。1969年到1975年，12種最終測(cè)量協(xié)議產(chǎn)生，其中的百分之一是對(duì)廣義相對(duì)論的撓度的預(yù)測(cè)。
時(shí)滯效應(yīng)是一種很小的返回延遲，它是光信號(hào)穿過(guò)靠近太陽(yáng)的扭曲時(shí)空傳到太陽(yáng)遠(yuǎn)側(cè)面的星球或者太空船，再返回地球的一種光信號(hào)傳送方式。對(duì)于一束光，太陽(yáng)表面摩擦的延遲達(dá)到1秒的200/1000000。1964年起，雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)程序測(cè)量水星和金星到水手飛船6號(hào)、7號(hào)和9號(hào)的延遲，與維京火星探測(cè)器相比，已經(jīng)能夠證實(shí)這個(gè)預(yù)測(cè)精準(zhǔn)0.5%。
諾特維特效應(yīng)是一個(gè)沒(méi)有在廣泛相對(duì)論中出現(xiàn)，但是能預(yù)測(cè)很多重力現(xiàn)象的替代度量理論，包括布蘭斯-迪克理論（Brans-Dicke theory）。它可能破壞了與重力相連接的像行星或者恒星這樣巨大物體的加速度平等。這樣一種影響的存在不會(huì)破壞弱等效原則作為彎曲時(shí)空的基礎(chǔ)應(yīng)用，這個(gè)原則只用于那些內(nèi)部重力連接可以忽略不計(jì)的中等大小的物體。廣義相對(duì)論最顯著的特質(zhì)之一是它能滿足各種類(lèi)型物質(zhì)的燃點(diǎn)。假設(shè)諾特維特效應(yīng)出現(xiàn)了，之后地球和月亮將會(huì)受到太陽(yáng)的吸引，而稍微加速，結(jié)果就是能在激光測(cè)月上觀測(cè)到月球軌道上出現(xiàn)的微擾。激光測(cè)月是一種通過(guò)阿波羅宇航員利用激光脈沖反射到鏡子中的陣列來(lái)測(cè)量月球距離的技術(shù)。從1969年到1976年間獲得的數(shù)據(jù)看來(lái)，沒(méi)有這樣的擾動(dòng)被檢測(cè)到，誤差少于30厘米（1英尺），與廣義相對(duì)論的零的預(yù)測(cè)完全一致，和布蘭斯-迪克理論的預(yù)測(cè)完全不同。
在最后的十年中，人們做了更多微妙重力效應(yīng)的二次實(shí)驗(yàn)。廣義相對(duì)論每一次都通過(guò)了實(shí)驗(yàn)，然而反對(duì)廣義相對(duì)論的大部分實(shí)驗(yàn)都失敗了。重力輻射和慣性參考系拖拽實(shí)驗(yàn)現(xiàn)在也被開(kāi)發(fā)出來(lái)了。有一個(gè)實(shí)驗(yàn)將涉及到把一個(gè)旋轉(zhuǎn)的物體放在地球軌道上，觀察預(yù)期的相對(duì)論效應(yīng)。
宇宙論和時(shí)間
廣義相對(duì)論在天文學(xué)上的第一個(gè)應(yīng)用是在宇宙學(xué)領(lǐng)域。這個(gè)理論預(yù)測(cè)了宇宙會(huì)從一個(gè)最初封閉的狀態(tài)不斷擴(kuò)大，這就是人們所說(shuō)的宇宙大爆炸。許多年來(lái)，大爆炸理論一直受到另一個(gè)被稱為穩(wěn)態(tài)理論的質(zhì)疑。穩(wěn)態(tài)理論是以整個(gè)宇宙中的物質(zhì)是不斷創(chuàng)造出來(lái)的概念提出來(lái)的。然而，之后人們對(duì)宇宙知識(shí)更加了解，強(qiáng)烈支持大爆炸理論，反對(duì)穩(wěn)態(tài)理論。這樣的調(diào)查結(jié)果既不是由相對(duì)論預(yù)測(cè)的，也不和相對(duì)論沖突，因此也進(jìn)一步支持了這個(gè)理論。也許最有爭(zhēng)議的證據(jù)就是在1965年，背景輻射的發(fā)現(xiàn)。大量的電磁輻射在大約2.7K（零度以上的27攝氏度）的溫度下充滿了整個(gè)宇宙。背景輻射也是由廣義相對(duì)論提出的假設(shè)，被認(rèn)為是早期在熱階段的宇宙大爆炸之后留下的痕跡。宇宙中觀測(cè)到的大量的氦（按重量計(jì)算有20%到30%）也是廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)的宇宙大爆炸的必然結(jié)果。
另外，廣義相對(duì)論暗示了許多不同種類(lèi)的天象存在，其中包括中子星、黑洞、引力透鏡和重力波。根據(jù)相對(duì)論理論，中子星將是很小的，但又是極其大的類(lèi)星體。例如，一顆半徑為10公里的中子星的質(zhì)量就和太陽(yáng)相當(dāng)了。這種星星被萬(wàn)有引力壓縮，使得它們的密度可以和主要是由中子組成的原子核內(nèi)的密度相比。這樣的星星被認(rèn)為是劇烈的天體運(yùn)動(dòng)，像超新星和其他星星的爆炸的結(jié)果。第一次提出中子星是在20世紀(jì)30年代，具有這種類(lèi)型特質(zhì)的許多星體也都被一一證實(shí)了。1967年，許多天體中的第一個(gè)，現(xiàn)在被叫作脈沖星的天體也被發(fā)現(xiàn)了。這些發(fā)出快速的常規(guī)脈沖輻射的星星，現(xiàn)在也被認(rèn)為是快速旋轉(zhuǎn)的中子星，這些中子星的脈沖周期展示了其旋轉(zhuǎn)周期。
黑洞是廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)中最奇異的，盡管其概念可以追溯到20世紀(jì)之前。這些理論對(duì)象是那些在強(qiáng)重力場(chǎng)中的天體。由于它們處于強(qiáng)重力場(chǎng)中，沒(méi)有任何粒子或者輻射能逃離它，甚至是光線也無(wú)法逃離，因此得名為黑洞。黑洞最有可能是超巨大星星爆炸產(chǎn)生的，它們可以隨著其他物體進(jìn)入它們的吸引領(lǐng)域而不斷擴(kuò)大。一些理論家推測(cè)超巨大的黑洞存在于某些星團(tuán)和某些星系的中心位置，其中包括它們自身的中心位置。盡管這種黑洞的存在毫無(wú)疑問(wèn)還沒(méi)有得到證實(shí)，但是它們存在的證據(jù)在許多知名網(wǎng)站上卻是很充足的。
理論上，即使是一個(gè)相對(duì)很小的質(zhì)量都可能成為一個(gè)黑洞。這個(gè)質(zhì)量將會(huì)被壓縮到更高的密度，直到它減小到某個(gè)臨界半徑。這種所謂的“黑洞表面”被稱作施瓦茲希爾德半徑。因?yàn)樗?916年由德國(guó)天文學(xué)家卡爾?施瓦茲希爾德（Karl Schwarzschild）提出來(lái)的。（他的公式適用于非自轉(zhuǎn)天體）自轉(zhuǎn)天體的圖形數(shù)據(jù)在1963年由新西蘭數(shù)學(xué)家羅伊?科爾（Roy Kerr）研究確定。對(duì)于一個(gè)和太陽(yáng)同等質(zhì)量的天體，其地平線大約有3公里長(zhǎng)。科學(xué)家如英國(guó)理論物理學(xué)家斯蒂芬?霍金（Stephen Hawkiing）觀察到，微型黑洞的確存在。
引力透鏡的概念是根據(jù)已經(jīng)討論過(guò)且證明的相對(duì)論預(yù)測(cè)的，當(dāng)光從一個(gè)較大天體如恒星旁邊經(jīng)過(guò)時(shí)，它的軌道偏離了。具體偏離多少基于該天體有多大。從這點(diǎn)我們可以看出超大天體如銀河系相當(dāng)于同等的天然透鏡，讓光從更遠(yuǎn)的天體那邊穿過(guò)。第一個(gè)引力透鏡于1979年被發(fā)現(xiàn)。
廣義相對(duì)論所預(yù)測(cè)的現(xiàn)象現(xiàn)在還沒(méi)得到確實(shí)的證明，但是：引力波是存在的。引力波是由引力磁場(chǎng)的變化所產(chǎn)生的。它們以光速運(yùn)動(dòng)，傳遞能量，引起粒子組之間的相互運(yùn)動(dòng)（或在更大物質(zhì)中產(chǎn)生張力）。天文物理學(xué)家認(rèn)為引力波是由動(dòng)力源散發(fā)出的，如超新星、雙子星（或聚星）系統(tǒng)以及黑洞，或黑洞之間的碰撞所產(chǎn)生。人們經(jīng)過(guò)多種嘗試來(lái)觀察該類(lèi)波段，但是目前還未取得成功。
對(duì)于廣義相對(duì)論更重要的問(wèn)題是，科學(xué)家正嘗試把引力和量子力學(xué)結(jié)合起來(lái)，成為現(xiàn)代物理學(xué)的范例。對(duì)于量子宇宙論的研究人員來(lái)說(shuō)，其主要目標(biāo)就是這些統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的磁場(chǎng)理論。
時(shí)鐘佯謬
時(shí)鐘佯謬是矛盾理論的一種最好的例子，是用來(lái)測(cè)試相對(duì)論特殊理論的邏輯一致性，或在一些事列中嘗試糾正一些理論。要用公式說(shuō)明這個(gè)矛盾理論，第一，假設(shè)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)這個(gè)實(shí)驗(yàn)用一種方法分析時(shí)這個(gè)理論就有了一個(gè)結(jié)果，但是當(dāng)你用不同的方法來(lái)分析時(shí)就會(huì)出現(xiàn)完全相反的預(yù)測(cè)結(jié)果。對(duì)于上述所說(shuō)的大家都沒(méi)意見(jiàn)，但是一個(gè)精確的相對(duì)論原理應(yīng)用就能很簡(jiǎn)單地解決這個(gè)矛盾理論的問(wèn)題。
時(shí)間佯謬的簡(jiǎn)單版本陳述如下：一對(duì)長(zhǎng)得很像的雙胞胎，查理和基普，他們以反方向運(yùn)動(dòng)，查理呆在家而基普乘坐火箭飛船以勻速飛往遠(yuǎn)處的目的地。當(dāng)他要到達(dá)的時(shí)候，基普再以勻速飛回家。在查理看來(lái)，基普的時(shí)間要比他慢得多，因?yàn)榛盏乃俣葘?dǎo)致了時(shí)間的相對(duì)擴(kuò)張。于是當(dāng)基普返回時(shí)會(huì)比查理更年輕。這是一個(gè)很大膽的假設(shè)，即使是真的，也并非自相矛盾。時(shí)鐘佯謬發(fā)生于從基普的角度來(lái)看這件事。從基普的角度來(lái)說(shuō)，是查理以勻速運(yùn)動(dòng)離開(kāi)然后返回。因此它的時(shí)間應(yīng)該比基普的慢，應(yīng)該是查理變年輕。兩種推測(cè)都不合理，很顯然時(shí)鐘佯謬產(chǎn)生了。
想要解決時(shí)鐘佯謬最簡(jiǎn)單的辦法就是要認(rèn)識(shí)到這兩種情況不是相對(duì)稱的。查理在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中一直處在慣性系中（或在牛頓法則的非加速情況下），而基普為了停止飛船并調(diào)轉(zhuǎn)方向則須加速，他注意到查理的時(shí)間加速并超過(guò)了他的時(shí)間。他通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)南鄬?duì)論公式計(jì)算得出這一結(jié)論，用慣性系這一結(jié)果，他加速的瞬間事實(shí)上是處于停頓狀態(tài)。因?yàn)檫@些慣性系擁有不同的速度，他必須考慮到系統(tǒng)的差異，在某種程度上會(huì)把時(shí)間從一個(gè)系同步到下一個(gè)。
用另外一種方式來(lái)理解查理時(shí)間的加快，即等量原則。基普不能區(qū)分他的加速系在同一引力磁場(chǎng)中處于停頓，其中有個(gè)很明顯的藍(lán)移加快了查理的時(shí)間。最后結(jié)論就是：兩個(gè)觀察者都同意基普一定會(huì)變年輕。
1966年，在瑞士日內(nèi)瓦歐洲核子研究委員會(huì)加速器中開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一結(jié)果。被稱為MU介子的元粒子被磁場(chǎng)所限制，以99.6%的光速進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)。返回的介子果然變得更新了。那就是說(shuō)，介子比在實(shí)驗(yàn)室靜止的時(shí)候衰退的更慢。于是，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)和理論的成功實(shí)踐證明沒(méi)有時(shí)間佯謬之說(shuō)。 這個(gè)數(shù)字說(shuō)明了一個(gè)代表二維的平面三位空間的曲率。那些線穿越時(shí)空。一個(gè)物體進(jìn)入了平面，導(dǎo)致了平面發(fā)生扭曲。而能量同樣可以做到，就跟愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論所說(shuō)的一樣。
時(shí)空連續(xù)體
時(shí)空連續(xù)體就跟上文說(shuō)過(guò)的一樣，是廣義相對(duì)論的一個(gè)部分。它成功代替了牛頓有關(guān)空間和一個(gè)分隔的絕對(duì)的時(shí)間的概念。在牛頓力學(xué)中，任何事物都能在空間里和時(shí)間t的某個(gè)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)。這個(gè)坐標(biāo)是任意選定的，但是兩個(gè)量是獨(dú)立的選擇：兩個(gè)事件的空間距離，德耳塔（希臘字母的第四個(gè)字）I（ΔI）和它們之間在時(shí)間上具有獨(dú)立性，德耳塔t（Δt）。
但是隨著相對(duì)論的問(wèn)世，很明顯，時(shí)間是取決于速率的，德耳塔I和德耳塔t也不再是單獨(dú)不變的。德耳塔I經(jīng)受了長(zhǎng)度收縮（FitzGerald-Lorentz contraction），德?tīng)査經(jīng)過(guò)了時(shí)間延緩。一個(gè)新的量，德?tīng)査反而是不變的。這個(gè)量被稱作是“線元素”或者是“不變間隔”，它通過(guò)一個(gè)與光速有關(guān)的二次表達(dá)和其他量聯(lián)系起來(lái)。德?tīng)査現(xiàn)在是兩個(gè)事物之間間隔的不變測(cè)速，這個(gè)術(shù)語(yǔ)度量標(biāo)準(zhǔn)（來(lái)自希臘詞匯“測(cè)量”）常常適用于德?tīng)査的二次表達(dá)式?？傊?，廣義相對(duì)論中的時(shí)空度量更加復(fù)雜和符合彎曲的時(shí)空。
1892年，長(zhǎng)度收縮第一次作為假定的理論被喬治?菲茨杰拉德（George F.Fitzgerald）提出來(lái)。在1895年，由勞倫斯?亨德里克斯（Hendrik A.Lorentz）詳細(xì)闡述了其作用。長(zhǎng)度收縮被提出來(lái)是為了解釋邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)（Michelson-Morley experiment）的否定結(jié)果，并在1887年完成了實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了時(shí)間作為一個(gè)光源穿過(guò)了一段距離d，然后當(dāng)光源的運(yùn)動(dòng)方向和實(shí)驗(yàn)室里預(yù)定的運(yùn)動(dòng)方向相平行或者觀察者穿過(guò)乙醚時(shí)將會(huì)折回來(lái)。時(shí)間與在同一路程中，試驗(yàn)中垂直于光線的方向相對(duì)比。在這種情況下，試驗(yàn)中的運(yùn)動(dòng)方向是地球穿過(guò)空間的運(yùn)動(dòng)方向。乙醚作為媒質(zhì)以假定光速C穿過(guò)空間。
根據(jù)經(jīng)典理論，兩次圓形旅行的時(shí)間應(yīng)該是不同的。然而，邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)證明了在穿越時(shí)間中沒(méi)有什么不同。菲茨杰拉德暗示，如果平行軸d的長(zhǎng)度是dx（1-v（2）/c（2））的平方根（v是實(shí)驗(yàn)中的速度），垂直軸保持不變，那么預(yù)測(cè)的結(jié)果就會(huì)和實(shí)驗(yàn)的一樣。
勞倫斯之后提出了一個(gè)包含了這種作用的物質(zhì)模擬。他說(shuō)，在運(yùn)動(dòng)的影響下，包含在物質(zhì)中的原子和分子都會(huì)隨著運(yùn)動(dòng)的方向被壓縮。物質(zhì)模擬不可能測(cè)量出這種變形，把一把尺子放在一個(gè)超速行駛的物體上將會(huì)有類(lèi)似的變化。
愛(ài)因斯坦在他的相對(duì)論里寫(xiě)到，長(zhǎng)度的收縮是光速在所有參考坐標(biāo)系中一樣的假定的基本結(jié)果。這個(gè)影響只有在相對(duì)速度接近光速時(shí)才有意義。
世界線
世界線是穿過(guò)時(shí)空隧道的一個(gè)途徑。它是在物理學(xué)上使用的一個(gè)數(shù)學(xué)概念，用來(lái)描述粒子或者其他物體的移動(dòng)。一條世界線給出的信息描述比穿過(guò)空間的一條小徑要多得多。因?yàn)樵谑澜缇€上的每一個(gè)點(diǎn)都暗示了物體的時(shí)間和空間位置。為了理解這兩者的差別，可以在地圖上畫(huà)一條曲線來(lái)表示一個(gè)飛機(jī)在穿過(guò)地球表面時(shí)的路徑。如果高度是沿著曲線標(biāo)注的，那么這條路徑會(huì)被描畫(huà)成一個(gè)三維的空間。如果飛機(jī)經(jīng)過(guò)的每個(gè)點(diǎn)的時(shí)間也是這樣的，那么這個(gè)描述就是世界線或者說(shuō)在思維時(shí)空連續(xù)的路徑。兩條世界線只有在同樣的時(shí)間穿過(guò)同樣的位置時(shí)才能相交。
物理學(xué)家用世界線來(lái)描述粒子在其自身的引力作用下是如何移動(dòng)、碰撞和反彈的。例如重力度量理論，像愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論一樣，預(yù)測(cè)自由落體的粒子會(huì)隨著測(cè)地線運(yùn)動(dòng)，這個(gè)路徑非常接近于彎曲時(shí)空中的直線。真正非零靜止物體的粒子穿越的比光速要慢，它的移動(dòng)是一個(gè)類(lèi)似的測(cè)地線，它能測(cè)出橫跨兩個(gè)事物之間的距離所用的最長(zhǎng)時(shí)間。同樣兩個(gè)物體實(shí)驗(yàn)的其他世界線很少通過(guò)時(shí)鐘佯謬消損時(shí)間。
時(shí)間反轉(zhuǎn)不變性
時(shí)間反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)看似不現(xiàn)實(shí)。如果一些運(yùn)動(dòng)是可以根據(jù)已知的物理定律來(lái)定義的話，則時(shí)間逆轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)總是有可能的。而這種可能性在被重力和電磁影響時(shí)會(huì)顯得更加真實(shí)，因此才會(huì)說(shuō)這些法則展示了時(shí)間反轉(zhuǎn)不變性，或者是把時(shí)間反轉(zhuǎn)作為一個(gè)基本的對(duì)稱。舉個(gè)例子，要觀察一個(gè)雞蛋摔落到地上，然后像電影里的鏡頭回放一樣，破碎的雞蛋重新聚攏，向上飛起到一個(gè)人的手中的過(guò)程是非常特別的。然而，根據(jù)已知的物理定律，這樣一個(gè)過(guò)程是不可能發(fā)生的。但是像電影中那樣，一個(gè)陀螺或者是一個(gè)振動(dòng)鈴在電影的鏡頭回放中出現(xiàn)就很正常。
在時(shí)間反轉(zhuǎn)下，控制著大部分元素過(guò)程的基本自然法則是不變的。然而，大多數(shù)的自然過(guò)程本身在時(shí)間反轉(zhuǎn)下并沒(méi)有呈現(xiàn)對(duì)稱性。這是因?yàn)槠浒嗽S多宏觀系統(tǒng)的復(fù)雜性。舉個(gè)例子，假如一個(gè)容器被一個(gè)密閉隔墻分割成兩部分，一部分含有空氣，另一部分是真空的。如果這個(gè)隔物被拿開(kāi)，那么空氣就會(huì)充盈在整個(gè)容器里。為了做時(shí)間反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，在這個(gè)運(yùn)動(dòng)中，容器里的空氣流向另一邊，所有分子的速率將會(huì)反轉(zhuǎn)——這是一個(gè)不可能完成的任務(wù)。這個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性導(dǎo)致了時(shí)間反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的極小可能性真的會(huì)發(fā)生。通常復(fù)雜的系統(tǒng)其可能性會(huì)增加，這種可能性的增加和系統(tǒng)里熵的增加有關(guān)系。
在亞原子水平，有一些其它力和時(shí)間反轉(zhuǎn)不變性有關(guān)——強(qiáng)核力負(fù)責(zé)連結(jié)原子核，弱核力負(fù)責(zé)像中子這類(lèi)粒子的放射性衰變。中子衰變成一個(gè)質(zhì)子、一個(gè)電子和一個(gè)反微中子。時(shí)間反轉(zhuǎn)相對(duì)于中子衰變的運(yùn)動(dòng)即將一個(gè)反微中子、一個(gè)電子和一個(gè)質(zhì)子組合到一起形成一個(gè)中子。針對(duì)時(shí)間反轉(zhuǎn)的反作用，為了符合最初的衰變，進(jìn)來(lái)的粒子能量必須和先前出去的粒子能量一樣，粒子的旋轉(zhuǎn)速率也一定是相反的。盡管這個(gè)過(guò)程看似不可能，實(shí)際卻是可能的。
元素粒子的實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)觀察其出現(xiàn)，相互作用和消減的過(guò)程來(lái)驗(yàn)證時(shí)間反轉(zhuǎn)不變性。時(shí)間反轉(zhuǎn)一致性似乎在所有的過(guò)程中都有一個(gè)有效的對(duì)稱，除了K介子的弱減退過(guò)程。 時(shí)光旅行和量子斑點(diǎn)
1998年秋季，全球新聞報(bào)道，有一個(gè)特別的實(shí)驗(yàn)在英格蘭的蘇塞克斯大學(xué)（Sussex University）進(jìn)行，官方說(shuō)法叫做“凍結(jié)”時(shí)間。
這是當(dāng)時(shí)倫敦報(bào)紙的報(bào)道：
對(duì)于上個(gè)月剛過(guò)去的幾秒鐘，全宇宙最冷的點(diǎn)在布靈頓出現(xiàn)。然而在9月22日，室外的溫度卻為20攝氏度左右，在蘇塞克斯郡大學(xué)的馬爾科姆?布謝爾（MalcolmBoshier）的光學(xué)實(shí)驗(yàn)室里，溫度卻達(dá)到了最冷的零下273攝氏度。
當(dāng)布謝爾和他的團(tuán)隊(duì)把100000個(gè)原子放進(jìn)納米開(kāi)爾文溫度計(jì)時(shí)，他們都沒(méi)有想過(guò)會(huì)創(chuàng)造出吉尼斯世界記錄。這推動(dòng)了世界上最精密的測(cè)量?jī)x器的發(fā)展進(jìn)程，之后，精密儀器或許會(huì)幫助人們解開(kāi)重力之謎。
“凍結(jié)創(chuàng)造出了玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)（Bose-Einstein Condensate，即BEC），當(dāng)原子幾乎失去了它們所有的能量的時(shí)候，凍結(jié)就出現(xiàn)了。在這個(gè)狀態(tài)中，發(fā)生了一件奇怪的事情：每個(gè)原子都失去了自身。它們擴(kuò)展進(jìn)入到其它的原子里形成水滴，這個(gè)水滴的形態(tài)就像一個(gè)巨大的‘超原子’。這是一個(gè)遵循量子機(jī)械學(xué)原理的物體，然而，它大到你都能用相機(jī)把它拍下來(lái)。”布謝爾說(shuō)。
阿爾伯特?愛(ài)因斯坦和玻色大約在70多年前就預(yù)測(cè)到這樣一個(gè)東西會(huì)在超低的溫度下出現(xiàn)，但在它卻一直沒(méi)有出現(xiàn)，直到1995年，科羅拉多（Colorado）的一個(gè)研究小組第一次發(fā)現(xiàn)了它。
“這表示，你能?chē)?yán)格操控原子?！辈贾x爾說(shuō)，“我們可以建立一個(gè)裝置，它能對(duì)影響原子能的力量，其中包括重力進(jìn)行極其精密的監(jiān)測(cè)?！?/span>
對(duì)于重力是如何工作的仍然困擾著研究人員，在探索過(guò)程中，測(cè)量其微小影響的儀器極其重要。蘇塞克斯郡中心的光學(xué)和原子物理學(xué)機(jī)構(gòu)已經(jīng)創(chuàng)造出了“磁性鏡子”，它可以使原子以同樣的方式彈跳，這樣鏡子就反彈回激光。布謝爾即將著手玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)在磁性鏡子上的實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)它是否能像正常的原子一樣彈跳。
如果它成功的話，他們團(tuán)隊(duì)將會(huì)嘗試建立一個(gè)“原子干涉儀”。激光能提供高度準(zhǔn)確的干擾測(cè)量，這是因?yàn)樵跇O其微小的光子光源中，光子被統(tǒng)一鎖定起來(lái)了。這就提供了一個(gè)測(cè)量微小維度的方法。把一個(gè)激光光源切割成兩部分，這兩個(gè)不同光源路徑的相對(duì)長(zhǎng)度測(cè)量出來(lái)。一半和另一半稍微有點(diǎn)脫節(jié)，這就引導(dǎo)出了像激光回旋裝置這樣的高度精密儀器的出現(xiàn)。
在BEC中，原子像激光光源中的光子一樣被鎖定在一起，這可以提供一個(gè)更加精確的干擾測(cè)量的檢驗(yàn)。建立一個(gè)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)涉及到兩個(gè)步驟，第一步是把金屬銣蒸汽放入一個(gè)真空瓶，6個(gè)激光在廣口瓶里按照它們自身的光源排列起來(lái)，在中心交叉。對(duì)于一個(gè)正常的，移動(dòng)的原子來(lái)說(shuō)，這就像在涉水穿越一樣，研究人員把它稱“視覺(jué)糖漿”。原子失去了能量，移動(dòng)緩慢，冷卻到絕對(duì)零度的幾千分之一，或者零下273攝氏度——這個(gè)溫度很低，但還不夠。
激光持續(xù)地把能量加到原子上，這樣它們就可以被撕開(kāi)，一個(gè)特殊形狀的磁場(chǎng)就被打開(kāi)了。這可以約束原子，就像它在一個(gè)深邊的碗里一樣。能量雄厚的原子會(huì)從其它原子那里偷一些能量過(guò)來(lái)，然后從這個(gè)磁場(chǎng)陷阱的頂部跑出來(lái)，因此剩下的原子會(huì)變得越來(lái)越冷。
“到最后，一個(gè)原子達(dá)到了可以進(jìn)入原子最低溫度的量子態(tài)的狀態(tài)：基態(tài)。這些原子的本質(zhì)是如此，其它原子會(huì)跟隨其后。當(dāng)原子溫度足夠低的時(shí)候，在基態(tài)中有機(jī)會(huì)擁有一個(gè)原子，其它的原子就會(huì)分散進(jìn)入同樣的基態(tài)?！辈贾x爾說(shuō)道。
“結(jié)果是在直徑上有一個(gè)幾微米大小的量子半點(diǎn)。”布謝爾相信，“盡管這聽(tīng)起來(lái)似乎沒(méi)有什么前途，但是它卻包含著未來(lái)?！?nbsp;
布謝爾說(shuō)道：“這個(gè)場(chǎng)真的是爆炸性的：五六百家報(bào)紙——理論上，大部分已經(jīng)在過(guò)去3年里報(bào)道了它。接下來(lái)原子要做的就是看激光能為光做些什么?！?nbsp;
1896年加利福尼亞的一副飛碟圖畫(huà)，在當(dāng)時(shí)被廣泛傳播。注意那個(gè)強(qiáng)有力的探照燈，和經(jīng)?？吹降娘w碟發(fā)出的光一模一樣。
飛船的整體是一個(gè)“雪茄形狀的，金屬的”框架，但是各種各樣的附屬裝置粘附著飛船的主體：機(jī)翼、螺旋槳和空氣垂直舵穩(wěn)定器都被不同的目擊者看到。白天和夜晚都有發(fā)生，在夜晚的目擊報(bào)道中能看到閃耀的燈光。
實(shí)際上，時(shí)間穿越的某些秘密可能已經(jīng)被布謝爾和他的團(tuán)隊(duì)解開(kāi)了。把一個(gè)激光光源一分為二的技術(shù)以及激光陀螺儀的使用可能最終會(huì)把我們引向許多人在尋找的時(shí)間旅行裝置，我們將會(huì)在隨后的章節(jié)中看到這些。
同時(shí)，讓我們回頭看看，大約一百年前——我們開(kāi)始對(duì)時(shí)間旅行感興趣的時(shí)候。似乎那些對(duì)時(shí)間旅行感興趣的人最有可能遇到時(shí)間旅行者。
18世紀(jì)后期的一副巨大的UFO描繪圖。其出現(xiàn)在舊金山報(bào)紙的每個(gè)角落，具體時(shí)間是1896年11月22日……
另一波飛碟風(fēng)潮是從1909年的新西蘭報(bào)紙報(bào)道開(kāi)始的，總共持續(xù)了6個(gè)星期，從7月底一直到9月初。從南島到北島，成千上百的人觀察到了飛碟，晚上和白天都有。
20世紀(jì)早期的一段時(shí)間，人們對(duì)飛碟的探究熱情空前強(qiáng)烈。所有這些的飛碟難道都是法國(guó)的實(shí)驗(yàn)氣球么？不，那些出現(xiàn)在新西蘭上空的不明飛行物不可能是氣球！
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本章中的材料大部分出自于《葛羅里學(xué)術(shù)百科全書(shū)》線上的資料庫(kù)（the Grolier Multimedia Encyclopedia），參考書(shū)目如下：多瑞?奇普Thore Kip的《黑洞和時(shí)空扭曲》（Black holes and Time Warps，1994），威爾?柯利弗德的《愛(ài)因斯坦是對(duì)的嗎？》。
薩克斯?羅伯特?G（Sachs Robert G）的《時(shí)間反轉(zhuǎn)的物理現(xiàn)象》（The Physics of Time Reversal，1987）。
弗里德曼?M（Friedman M）的《時(shí)空理論基礎(chǔ)》（Foundations of Space-Time Theories，1983），勞倫特?B（Laurent B）的《時(shí)空的入門(mén)介紹》（Introduction to Spacetime，1995），莫里斯的《時(shí)間之箭》（Time’s Arrows，1985），雷?C（Ray C）的《時(shí)間，空間及其哲學(xué)》（Time，Space and Philosophy，1991），瓦爾德?R（Wald R）的再版《空間，時(shí)間和萬(wàn)有引力》（Space，Time and Gravity，1992），澤（Zeh）的《時(shí)間方向的物理基礎(chǔ)》（The Physicsal Basis of the Direction of Time，1992）。
泰勒?E.F（Taylor E.F）和惠勒?J.A（Wheeler J.A）的《時(shí)空物理學(xué)》（Spacetime Physcis，1966），柴德里斯（Childress）編輯的《反重力和統(tǒng)一場(chǎng)》（Anti-Gravity&the Unified Field，1990）
在1897年，目擊的報(bào)道持續(xù)了整整一個(gè)月。這些報(bào)道出現(xiàn)在洛基山脈東部的大多數(shù)州，主要集中在中西部地區(qū)。
編者：博科園 林隱
博科園
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