愛因斯坦相對論狹義相對論愛因斯坦第二假設(shè)愛因斯坦第二假設(shè)--時間和空間伽瑪參數(shù)宇宙執(zhí)法者的歷險宇宙執(zhí)法者的歷險--微妙的時間質(zhì)量和能量 光速極限廣 義相對論基本概念愛因斯坦第三假設(shè)愛因斯坦第四假設(shè)宇宙幾何愛因斯坦第一假設(shè)全部狹義相對論主要基于愛因斯坦對宇宙本性的兩個假設(shè)。第一個可以這樣陳述：所有慣性參照系中的物理規(guī)律是相同的此處唯一稍有些難懂的地方是所謂的“慣性參照系”。舉幾個例子就可以解釋清楚：假設(shè)你正在一架飛機(jī)上，飛機(jī)水平地以每小時幾百英里的恒定速度飛行，沒有任何顛簸。一個人從機(jī)艙那邊走過來，說：“把你的那袋花生扔過來好嗎？”你抓起花生袋，但突然停了下來，想道：“我正坐在一架以每小時幾百英里速度飛行的飛機(jī)上，我該用多大的勁扔這袋花生，才能使它到達(dá)那個人手上呢？”不，你根本不用考慮這個問題，你只需要用與你在機(jī)場時相同的動作（和力氣）投擲就行?；ㄉ倪\動同飛機(jī)停在地面時一樣。你看，如果飛機(jī)以恒定的速度沿直線飛行，控制物體運動的自然法則與飛機(jī)靜止時是一樣的。我們稱飛機(jī)內(nèi)部為一個慣性參照系。（“慣性”一詞原指牛頓第一運動定律。慣性是每個物體所固有的當(dāng)沒有外力作用時保持靜止或勻速直線運動的屬性。慣性參照系是一系列此規(guī)律成立的參照系。另一個例子。讓我們考查大地本身。地球的周長約40，000公里。由于地球每24小時自轉(zhuǎn)一周，地球赤道上的一點實際上正以每小時1600公里的速度向東移動。然而我敢打賭說Steve Young在向Jerry Rice（二人都是橄欖球運動員。譯者注）觸地傳球的時候，從未對此擔(dān)心過。這是因為大地在作近似的勻速直線運動，地球表面幾乎就是一個慣性參照系。因此它的運動對其他物體的影響很小，所有物體的運動都表現(xiàn)得如同地球處于靜止?fàn)顟B(tài)一樣。實際上，除非我們意識到地球在轉(zhuǎn)，否則有些現(xiàn)象會是十分費解的。（即，地球不是在沿直線運動，而是繞地軸作一個大的圓周運動）例如：天氣（變化）的許多方面都顯得完全違反物理規(guī)律，除非我們對此（地球在轉(zhuǎn)）加以考慮。另一個例子。遠(yuǎn)程炮彈并非象他們在慣性系中那樣沿直線運動，而是略向右（在北半球）或向左（在南半球）偏。（室外運動的高爾夫球手們，這可不能用于解釋你們的擦邊球）對于大多數(shù)研究目的而言，我們可以將地球視為慣性參照系。但偶爾，它的非慣性表征將非常嚴(yán)重（我想把話說得嚴(yán)密一些）。這里有一個最低限度：愛因斯坦的第一假設(shè)使此類系中所有的物理規(guī)律都保持不變。運動的飛機(jī)和地球表面的例子只是用以向你解釋這是一個平日里人們想都不用想就能作出的合理假設(shè)。誰說愛因斯坦是天才？愛因斯坦第二假設(shè)19世紀(jì)中頁人們對電和磁的理解有了一個革命性的飛躍，其中以詹姆斯.麥克斯韋（James Maxwell）的成就為代表。電和磁兩種現(xiàn)象曾被認(rèn)為毫不相關(guān)，直到奧斯特（Oersted）和安培（Ampere）證明電能產(chǎn)生磁；法拉弟（Faraday）和亨利（Henry）證明磁能產(chǎn)生電?，F(xiàn)在我們知道電和磁的關(guān)系是如此緊密，以致于當(dāng)物理學(xué)家對自然力進(jìn)行列表時，常常將電和磁視為一件事。麥克斯韋的成就在于將當(dāng)時所有已知的電磁知識集中于四個方程中：（如果你沒有上過理解這些方程所必需的三到四個學(xué)期的微積分課程，那么就坐下來看它們幾分鐘，欣賞一下其中的美吧）麥克斯韋方程對于我們的重要意義在于，它除了將所有人們已知的電磁知識加以描述以外，還揭示了一些人們不知道的事情。例如：構(gòu)成這些方程的電磁場可以以振動波的形式在空間傳播。當(dāng)麥克斯韋計算了這些波的速度后，他發(fā)現(xiàn)它們都等于光速。這并非巧合，麥克斯韋（方程）揭示出光是一種電磁波。我們應(yīng)記住的一個重要的事情是：光速直接從描述所有電磁場的麥克斯韋方程推導(dǎo)而來?，F(xiàn)在我們回到愛因斯坦。愛因斯坦的第一個假設(shè)是所有慣性參照系中的物理規(guī)律相同。他的第二假設(shè)是簡單地將此原則推廣到電和磁的規(guī)律中。這就是，如果麥克斯韋假設(shè)是自然界的一種規(guī)律，那么它（和它的推論）都必須在所有慣性系中成立。這些推論中的一個就是愛因斯坦的第二假設(shè)：光在所有慣性系中速度相同愛因斯坦的第一假設(shè)看上去非常合理，他的第二假設(shè)延續(xù)了第一假設(shè)的合理性。但為什么它看上去并不合理呢？火車上的試驗為了說明愛因斯坦第二假的合理性，讓我們來看一下下面這副火車上的圖畫。 火車以每秒100，000，000米/秒的速度運行，Dave站在車上，Nolan站在鐵路旁的地面上。Dave用手中的電筒“發(fā)射”光子。光子相對于Dave以每秒300,000,000米/秒的速度運行，Dave以100,000,000米/秒的速度相對于Nolan運動。因此我們得出光子相對于Nolan的速度為400,000,000米/秒。問題出現(xiàn)了：這與愛因斯坦的第二假設(shè)不符！愛因斯坦說光相對于Nolan參照系的速度必需和Dave參照系中的光速完全相同，即300，000，000米/秒。那么我們的“常識感覺”和愛因斯坦的假設(shè)那一個錯了呢？好，許多科學(xué)家的試驗（結(jié)果）支持了愛因斯坦的假設(shè)，因此我們也假定愛因斯坦是對的，并幫大家找出常識相對論的錯誤之處。記得嗎？將速度相加的決定來得十分簡單。一秒鐘后，光子已移動到Dave前300，000，000米處，而Dave已經(jīng)移動到Nolan前100，000，000米處。其間的距離不是400，000，000米只有兩種可能：1、 相對于Dave的300，000，000米距離對于Nolan來說并非也是300，000，000米2、 對Dave而言的一秒鐘和對Nolan而言的一秒鐘不同盡管聽起來很奇怪，但兩者實際上都是正確的。愛因斯坦第二假設(shè)時間和空間我們得出一個自相矛盾的結(jié)論。我們用來將速度從一個參照系轉(zhuǎn)換到另一個參照系的“常識相對論”和愛因斯坦的“光在所有慣性系中速度相同”的假設(shè)相抵觸。只有在兩種情況下愛因斯坦的假設(shè)才是正確的：要么距離相對于兩個慣性系不同，要么時間相對于兩個慣性系不同。實際上，兩者都對。第一種效果被稱作“長度收縮”，第二種效果被稱作“時間膨脹”。長度收縮：長度收縮有時被稱作洛倫茨（Lorentz）或洛倫茨－弗里茨格拉德（FritzGerald）收縮。在愛因斯坦之前,洛倫茨和弗里茨格拉德就求出了用來描述（長度）收縮的數(shù)學(xué)公式。但愛因斯坦意識到了它的重大意義并將其植入完整的相對論中。這個原理是： 參照系中運動物體的長度比其靜止時的長度要短下面用圖形說明以便于理解：上部圖形是尺子在參照系中處于靜止?fàn)顟B(tài)。一個靜止物體在其參照系中的長度被稱作他的“正確長度”。一個碼尺的正確長度是一碼。下部圖中尺子在運動。用更長、更準(zhǔn)確的話來講：我們相對于某參照系，發(fā)現(xiàn)它（尺子）在運動。長度收縮原理指出在此參照系中運動的尺子要短一些。這種收縮并非幻覺。當(dāng)尺子從我們身邊經(jīng)過時，任何精確的試驗都表明其長度比靜止時要短。尺子并非看上去短了，它的確短了！然而，它只在其運動方向上收縮。下部圖中尺子是水平運動的，因此它的水平方向變短。你可能已經(jīng)注意到，兩圖中垂直方向的長度是一樣的。時間膨脹：所謂的時間膨脹效應(yīng)與長度收縮很相似，它是這樣進(jìn)行的：某一參照系中的兩個事件，它們發(fā)生在不同地點時的時間間隔總比同樣兩個事件發(fā)生在相同地點的時間間隔長。這更加難懂，我們?nèi)匀挥脠D例加以說明：圖中兩個鬧鐘都可以用于測量第一個鬧鐘從A點運動到B點所花費的時間。然而兩個鬧鐘給出的結(jié)果并不相同。我們可以這樣思考：我們所提到的兩個事件分別是“鬧鐘離開A點”和“鬧鐘到達(dá)B點”。在我們的參照系中，這兩個事件在不同的地點發(fā)生（A和B）。然而，讓我們以上半圖中鬧鐘自身的參照系觀察這件事情。從這個角度看，上半圖中的鬧鐘是靜止的（所有的物體相對于其自身都是靜止的），而刻有A和B點的線條從右向左移動。因此“離開A點”和“到達(dá)B點”著兩件事情都發(fā)生在同一地點?。ㄉ习雸D中鬧鐘所測量的時間稱為“正確時間”）按照前面提到的觀點，下半圖中鬧鐘所記錄的時間將比上半圖中鬧鐘從A到B所記錄的時間更長。此原理的一個較為簡單但不太精確的陳述是：運動的鐘比靜止的鐘走得更慢。最著名的關(guān)于時間膨脹的假說通常被成為雙生子佯謬。假設(shè)有一對雙胞胎哈瑞和瑪麗，瑪麗登上一艘快速飛離地球的飛船（為了使效果明顯，飛船必須以接近光速運動），并且很快就返回來。我們可以將兩個人的身體視為一架用年齡計算時間流逝的鐘。因為瑪麗運動得很快，因此她的“鐘”比哈瑞的“鐘”走得慢。結(jié)果是，當(dāng)瑪麗返回地球的時候，她將比哈瑞更年輕。年輕多少要看她以多快的速度走了多遠(yuǎn)。時間膨脹并非是個瘋狂的想法，它已經(jīng)為實驗所證實。最好的例子涉及到一種稱為介子的亞原子粒子。一個介子衰變需要多少時間已經(jīng)被非常精確地測量過。無論怎樣，已經(jīng)觀測到一個以接近光速運動的介子比一個靜止或緩慢運動的介子的壽命要長。這就是相對論效應(yīng)。從運動的介子自身來看，它并沒有存在更長的時間。這是因為從它自身的角度看它是靜止的；只有從相對于實驗室的角度看該介子，我們才會發(fā)現(xiàn)其壽命被“延長”或“縮短”了。?應(yīng)該加上一句：已經(jīng)有很多很多的實驗證實了相對論的這個推論。（相對論的）其他推論我們以后才能加以證實。我的觀點是，盡管我們把相對論稱作一種“理論”，但不要誤認(rèn)為相對論有待于證實，它（實際上）是非常完備的。伽瑪參數(shù)（γ）現(xiàn)在你可能會奇怪：為什么你在日常生活中從未注意到過長度收縮和時間膨脹效應(yīng)？例如根據(jù)剛才我所說的，如果你驅(qū)車從俄荷馬城到勘薩斯城再返回，那么當(dāng)你到家的時候，你應(yīng)該重新對表。因為當(dāng)你駕車的時候，你的表應(yīng)該比在你家里處于靜止?fàn)顟B(tài)的表走得慢。如果到家的時候你的表現(xiàn)時是3點正，那么你家里的表都應(yīng)該顯示一個晚一點的時間。為什么你從未發(fā)現(xiàn)過這種情況呢？答案是：這種效應(yīng)顯著與否依賴于你運動速度的快慢。而你運動得非常慢（你可能認(rèn)為你的車開得很快，但這對于相對論來說，是極慢的）。長度收縮和時間膨脹的效果只有當(dāng)你以接近光速運動的時候才能注意到。而光速約合186，300英里/秒（或3億米/秒）。在數(shù)學(xué)上，相對論效應(yīng)通常用一個系數(shù)加以描述，物理學(xué)家通常用希臘字母γ加以表示。這個系數(shù)依賴于物體運動的速度。例如，如果一根米尺（正確長度為1米）快速地從我們面前飛過，則它相對于我們的參照系的長度是1/γ米。如果一個鐘從A點運動到B點要3秒鐘，那么相對于我們的參照系，這個過程持續(xù)3/γ秒。為了理解現(xiàn)實中為什么我們沒有注意到相對論效應(yīng)，讓我們看一下（關(guān)于）γ的公式： 這里的關(guān)鍵是分母中的v2/c2。v是我們所討論的物體的運動速度，c是光速。因為任何正常尺寸物體的速度遠(yuǎn)小于光速，所以v/c非常?。划?dāng)我們將其平方后（所得的結(jié)果）就更小了。因此對于所有實際生活中通常尺寸的物體而言，γ的值就是1。所以對于普通的速度，我們通過乘除運算后得到的長度和時間沒有變化。為了說明此事，下面有一個對應(yīng)于不同速度的γ值表。（其中）最后一列是米尺在此速度運動時的長度（即1/γ米）。第一列中c仍舊表示光速。.9c等于光速的十分之九。為了便于參照舉個例子：“土星五號”火箭的飛行速度大約是25，000英里/小時。你看，對于任何合理的速度，γ幾乎就是1。因此長度和時間幾乎沒有變化。在生活中，相對論效應(yīng)只是發(fā)生在科幻小說（其中的飛船遠(yuǎn)比“土星五號”快得多）和微觀物理學(xué)中（電子和質(zhì)子常被加速到非常接近光速的速度）。在從芝加哥飛往丹佛的路上，這種效應(yīng)是不會顯現(xiàn)出來的。宇宙執(zhí)法者的歷險宇宙執(zhí)法者AD在A行星上被邪惡的EN博士所擒。EN博士給AD喝了一杯13小時后發(fā)作的毒酒，并告訴AD解藥在距此40，000，000，000公里遠(yuǎn)的B行星上。AD得知此情況后立即乘上其0.95倍光速的星際飛船飛往B星，那么：AD能即使到達(dá)B星并取得解藥嗎？我們做如下的計算：A、B兩行星之間的距離為40，000，000，000公里。飛船的速度是1，025，000，000公里/小時。把這兩個數(shù)相除，我們得到從A行星到B行星需要39小時。那么AD必死無疑。等一下！這只對于站在A行星上的人而言。由于毒藥在AD的體內(nèi)是要經(jīng)過新陳代謝（才能發(fā)作）的，我們必須從AD的參照系出發(fā)研究這一問題。我們可以用兩種方法做這件事情，它們將得到相同的結(jié)論。1. 設(shè)想一個大尺子從A行星一致延伸到B行星。這個尺子有40，000，000，000公里長。然而，從AD的角度而言，這個尺子以接近光速飛過他身邊。我們已經(jīng)知道這樣的物體會發(fā)生長度收縮現(xiàn)象。在AD的參照系中，從A行星到B行星的距離以參數(shù)γ在收縮。在95％的光速下，γ的值大約等于3.2。因此AD認(rèn)為這段路程只有12，500，000，000公里遠(yuǎn)（400億除以3.2）。我們用此距離除以AD的速度，得到12.2小時，AD將提前將近1小時到達(dá)B行星！2. A行星上的觀察者會發(fā)現(xiàn)AD到達(dá)B需要花費大約39小時時間。然而，這是一個膨脹后的時間。我們知道AD的“鐘”以參數(shù)γ（3.2）變慢。為了計算AD參照系中的時間，我們再用39小時除以3.2，得到12.2小時。（也）給AD剩下了大約1小時（這很好，因為這給了AD20分鐘時間離開飛船，另外20分鐘去尋找解藥）。AD將生還并繼續(xù)與邪惡戰(zhàn)斗。如果對上文中我的描述加以仔細(xì)研究，你會發(fā)現(xiàn)許多似是而非，非常微妙的東西。當(dāng)你深入地思考它的時候，一般你最終將提出這樣一個問題：“等一下，在AD的參照系中，EN的鐘表走得更慢了，因此在AD的參照系中，宇宙旅行應(yīng)花費更長的時間，而不是更短...如果你對這個問題感興趣或者覺得困惑，你可能應(yīng)該看一下后文《宇宙執(zhí)法者的歷險——微妙的時間》?；蛘吣憧梢韵嘈盼宜f的話“如果你把所有的因果都弄清楚，那么所有（這些）都是正確的”并跳到《質(zhì)量和能量》一章。宇宙執(zhí)法者的歷險——微妙的時間好，這就是我們剛剛看到的。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在AD相對于EN參照系旅行中的時間膨脹。在EN參照系中，AD是運動的，因此AD的鐘走得慢。結(jié)果是在此次飛行中EN的鐘走了39小時，而AD的鐘走了12小時。這常常使人們產(chǎn)生這樣的問題：相對于AD的系，EN是運動的，因此EN的鐘應(yīng)該走得慢。因此當(dāng)AD到達(dá)B行星的時候，他的鐘走的時間比EN的長。誰對？長還是短？好問題。當(dāng)你問這個問題的時候，我知道你已經(jīng)開始進(jìn)入情況了。在開始解釋之前，我必須聲明在前文所敘述的事情都是對的。在我所描述的情況下，AD可以及時拿到解藥?，F(xiàn)在讓我們來解釋這個徉謬。這與我尚未提及的“同時性”有關(guān)。相對論的一個推論是：同一參照系中的兩個同時（但不同地點）發(fā)生的事件相對于另一個參照系不同時發(fā)生。讓我們來研究一些同時發(fā)生的事件。首先，讓我們假設(shè)EN和AD在AD離開A行星時同時按下秒表。按照EN的表，這趟B行星之旅將花費39小時。換言之，EN的表在AD到達(dá)B行星時讀數(shù)為39小時。因為時間膨脹，AD的表與此同時讀數(shù)為12.2小時。即，以下三件事情是同時發(fā)生的：1、 EN的表讀數(shù)為392、 AD到達(dá)B行星3、 AD的表讀數(shù)為12.2這些事件在EN的參照系中是同時發(fā)生的?，F(xiàn)在在AD的參照系中，上述三個事件不可能同時發(fā)生。更進(jìn)一步，因為我們知道EN的表一定以參數(shù)γ減慢（此處γ大約為3.2），我們可以計算出當(dāng)AD的表讀數(shù)為12.2小時的時候，EN的表的讀數(shù)為12.2/3.2＝3.8小時。因此在AD的系中，這些事情是同時發(fā)生的：1、 AD到達(dá)B行星2、 AD的鐘的讀數(shù)為1.23、 EN的鐘的讀數(shù)為3.2前兩項在兩個系中都是相同的，因為它們在同一地點——B行星發(fā)生。兩個同一地點發(fā)生的事件要么同時發(fā)生，要么不同時發(fā)生，在這里，參照系不起作用。從另一個角度看待此問題可能會對你有所幫助。你所感興趣的事件是從AD離開A行星到AD到達(dá)B行星。一個重要的提示：AD在兩個事件中都存在。也就是說，在AD的參照系中，這兩個事件在同一地點發(fā)生。由此，AD參照系的事件被稱作“正確時間”，所有其他系中的時間都將比此系中的更長（參見時間膨脹原理）。不管怎樣，如果你對AD歷險中的時間膨脹感到迷惑，希望這可以使之澄清一些。如果你原本不糊涂，那么希望你現(xiàn)在也不。質(zhì)量和能量除了長度收縮和時間膨脹以外，相對論還有許多推論。其中最著名、最重要的是關(guān)于能量的。能量有許多狀態(tài)。任何運動的物體都因其自身的運動而具有物理學(xué)家所謂的“動能”。動能的大小和物體的運動速度及質(zhì)量有關(guān)。（“質(zhì)量”非常類似于“重量”，但并不完全相同）放在架子上的物體具有“引力勢能”。因為如果架子被移掉，它就（由于引力）具有獲得動能的可能。熱也是一種形式的能，其最終可以歸結(jié)于組成物質(zhì)的原子和分子的動能，此外還有許多其他形式的能。把上述現(xiàn)象都和能量聯(lián)系起來的原因，即它們之間的聯(lián)系，是能量守恒定律。這個定律是說，如果我們把宇宙中全部的能量都加起來（我們可以用象焦耳或千瓦時這樣的單位定量地描述能量），其總量永不改變。此即，能量從不會產(chǎn)生或消滅，盡管它們可以從一種形態(tài)轉(zhuǎn)化為另一種形態(tài)。例如，汽車是一種可以將（在引擎的汽缸中的）熱能轉(zhuǎn)化為（汽車運動的）動能的設(shè)備；燈泡（可以）將電能轉(zhuǎn)化為光能（這又是兩種能的形式）。愛因斯坦在他的相對論中發(fā)現(xiàn)了能量的另一種形式，有時被稱作“靜能量”。我已經(jīng)指出一個運動物體由于其運動而具有了能量。但愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，同樣一個物體在其靜止不動的時候同樣具有能量。物體內(nèi)靜能量的數(shù)量依賴于其質(zhì)量，并以公式E＝mc2給出。由于光速是如此之大的一個數(shù)，一個典型物體的靜能量與其所具有的其他類型的能量根本不可相提并論。但這并不重要，因為日常生活中物體的靜能量就是保持“安靜”的狀態(tài)，并且不會被轉(zhuǎn)化成我們可以注意到的其他形式的能，如熱能或動能。在核電站、原子武器和太陽中有相對很少一部分靜質(zhì)量被轉(zhuǎn)化為其他形式的能，但對于大多數(shù)情況而言，靜能量通常不會被注意到。一個物體的動能和靜能量的總和也可以用數(shù)學(xué)公式非常容易地表述如下：E＝mc2γ注意，在日常的速度中，γ大約等于1。因此靜、動能量之和近似等于單一的靜能量。換句話說，在日常速度中，靜能比動能大得多。然而，當(dāng)速度非常接近光速時，γ可以比1大很多（靜能量只與物體的質(zhì)量有關(guān)，而與其運動與否無關(guān)）。這對于在芝加哥附近的費米實驗室和瑞士邊界的CERN實驗室中（使用）粒子加速器的物理學(xué)家來說非常重要。光速極限在讀AD歷險記中，你可能注意到AD的速度幾乎是，但并不等于光速。這似乎有很充分的理由：遠(yuǎn)低于光速的速度相對論效應(yīng)不顯著。然而實際情況是超光速在物理學(xué)中是不可能的。我會告訴你這是為什么。假想AD奮力想將他的飛船加速到光速。好，我們已經(jīng)知道物質(zhì)的能量與γ參數(shù)成比例，這在相對論計算中太普遍了。但你現(xiàn)在也會知道當(dāng)物體的運動速度等于光速時，γ參數(shù)將變?yōu)闊o窮大。因此，為了讓AD的飛船加速到光速，他將需要無窮大的能量。這顯然是不可能的。因此盡管對于一個物體可以以多么接近光速的速度運動并無限制，但任何有質(zhì)量的物體都不可能達(dá)到光速。實際上，沒有質(zhì)量的物質(zhì)必須以光速運動，在此我不想討論其原因。唯一的一種沒有質(zhì)量的物質(zhì)是光（被稱作“光子”），或許還有中微子（不久前已經(jīng)證實，中微子有質(zhì)量。譯者）還有其他物體不能朝光速運動的原因。其中之一與“因果性”有關(guān)。假設(shè)我投出一個壘球并打碎了一扇窗戶，那么“我投出球”就是“窗戶被擊碎”的原因。如果超光速是可能的，那么一定會有某種參照系，其中“窗戶被擊碎”先于“我投出球”發(fā)生。這導(dǎo)致各種邏輯沖突（特別是當(dāng)窗戶已經(jīng)碎了之后又有人截獲了飛行中的球，阻止了窗戶被擊碎！）因此我們將物體能超光速運行這種可能性排除了。更進(jìn)一步，因果性排除的不僅是朝光速運動，更排除了任何超光速通訊。光速，就我們所知而言，是一道不可逾越的障礙。如果你和我一樣是個科幻迷，這將是一個壞消息。幾乎可以肯定，在除地球之外的太陽系中不存在有智慧的生命。然而恒星間的距離太遠(yuǎn)了！我們即使以光速運行，到達(dá)最近的恒星也要花上4年時間。所以沒有比光快的交通手段，將很可能無法在銀河系中游蕩并與異型文明相遇，為爭奪銀河系的帝位而站，等等。另一方面，由于長度收縮，或許情況并非那樣令人絕望。假設(shè)你登上一條飛船，以接近光速飛往10光年以外的一顆恒星。從地球的參照系看來，這個旅行將持續(xù)10年。然而對于這次旅行中的乘客而言，長度縮短了。因此這個旅行只用了不到10年的時間。并且飛船飛行得越接近光速，（相對于地球和恒星的）長度收縮得也越多（你也可以從時間膨脹的角度考慮這個問題）。為了說明這點，這里有一個表，標(biāo)明以不同的速度到達(dá)不同目的地所需要的時間。讓我解釋一下它們的含義：首先，為了能產(chǎn)生顯著的長度縮短，我們必須非常接近光速。因此我假設(shè)在旅行中飛船可以產(chǎn)生一個穩(wěn)定的加速度。這也就是說，飛船內(nèi)的人將感受到一個連續(xù)的加速度。例如，前半程以1g（g為地球的重力加速度。譯者）加速，后半程以1g減速。第二列以光年為單位給出了地球距離我們目的地的距離（一光年是光在一年內(nèi)傳播的距離，大約是6萬億英里）。我加入了三種不同加速度的計算，一種較小，另一種較大；剩下的一種與地球的重力加速度相等。加速度為2g的旅行可能會非常不舒服，因此或許你根本不用再考慮所有比這更大的速度。第四列列出了最大速度（在中點處，當(dāng)飛船正要轉(zhuǎn)入減速運動時）與光速的比值。最后兩列給出了旅行所需要的時間。首先以地球為參照系，然后以飛船為參照系。其中的差別很重要。我的意思是，如果說你乘飛船以2g的加速度飛往獵戶座，在你到達(dá)獵戶座之前要在飛船上渡過6.8年的時間。（盡管距離很遠(yuǎn)，但“飛船時間”增加得非常慢。這是因為距離越大，在開始減速前你越能接近光速飛行，因此你得到的長度收縮越多！）但當(dāng)你到達(dá)那里的時候，地球上已經(jīng)過500多年了。你到達(dá)獵戶座后所發(fā)出的任何信息都將在500年后到達(dá)地球，回信也是如此。因此如果人類有一天能漫步在銀河系之中，不同居住點之間將處于隔絕狀態(tài)。地球上的人不可能以任何常規(guī)方式同獵戶座附近的人交談。為建造一艘可以像這樣無限加速的飛船，現(xiàn)在看來有無窮的技術(shù)困難。這些困難可能會被證實是不可克服的，那么我們就只能在幻想的空間遨游；但如果它們是可以克服的，并且如果我們?nèi)祟惪梢曰畹米銐蜷L以克服它們，那么我剛才所描述的正是依據(jù)狹義相對論的理論上（可行的）遠(yuǎn)程宇宙旅行。當(dāng)然，許多科幻小說仍然加入了超光速飛行。但它們也常常不得不在其中引入一些奇怪的概念，如：“（時空）扭曲”、“超時空”。最終的情況是：就我們今天所知的時、空而言，超光速飛行是不可能的。但如果你喜歡，你總可以寄希望于某種時空的“窗口”或一個全新的，允許物體超光速運動的物理分枝被發(fā)現(xiàn)。那樣，我們就可以著手建立一個大銀河帝國了！廣義相對論—— 一個極其不可思議的世界廣義相對論的基本概念解釋：在開始閱讀本短文并了解廣義相對論的關(guān)鍵特點之前，我們必須假定一件事情：狹義相對論是正確的。這也就是說，廣義相對論是基于狹義相對論的。如果后者被證明是錯誤的，整個理論的大廈都將垮塌。為了理解廣義相對論，我們必須明確質(zhì)量在經(jīng)典力學(xué)中是如何定義的。質(zhì)量的兩種不同表述：首先，讓我們思考一下質(zhì)量在日常生活中代表什么。“它是重量”？事實上，我們認(rèn)為質(zhì)量是某種可稱量的東西，正如我們是這樣度量它的：我們把需要測出其質(zhì)量的物體放在一架天平上。我們這樣做是利用了質(zhì)量的什么性質(zhì)呢？是地球和被測物體相互吸引的事實。這種質(zhì)量被稱作“引力質(zhì)量”。我們稱它為“引力的”是因為它決定了宇宙中所有星星和恒星的運行：地球和太陽間的引力質(zhì)量驅(qū)使地球圍繞后者作近乎圓形的環(huán)繞運動。現(xiàn)在，試著在一個平面上推你的汽車。你不能否認(rèn)你的汽車強(qiáng)烈地反抗著你要給它的加速度。這是因為你的汽車有一個非常大的質(zhì)量。移動輕的物體要比移動重的物體輕松。質(zhì)量也可以用另一種方式定義：“它反抗加速度”。這種質(zhì)量被稱作“慣性質(zhì)量”。因此我們得出這個結(jié)論：我們可以用兩種方法度量質(zhì)量。要么我們稱它的重量（非常簡單），要么我們測量它對加速度的抵抗（使用牛頓定律）。人們做了許多實驗以測量同一物體的慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量。所有的實驗結(jié)果都得出同一結(jié)論：慣性質(zhì)量等于引力質(zhì)量。牛頓自己意識到這種質(zhì)量的等同性是由某種他的理論不能夠解釋的原因引起的。但他認(rèn)為這一結(jié)果是一種簡單的巧合。與此相反，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)這種等同性中存在著一條取代牛頓理論的通道。日常經(jīng)驗驗證了這一等同性：兩個物體（一輕一重）會以相同的速度“下落”。然而重的物體受到的地球引力比輕的大。那么為什么它不會“落”得更快
