著名的雙生子佯謬已被談得很多了。年齡為20歲的雙生於,其中一個去作探索宇宙的旅行,他以297000公里/秒的恆定速度(光速的99%)飛到一個20光年之遙的行星上,並立即返回。他攜帶的鐘表明自己出門在外6年,但留在地球上的那一個卻說已過去了4o 年。他們二人所經歷的時間確實是不同的,生物鐘也像原子鐘一樣會受影響。兩兄弟的年齡也可以用他們心跳的次數來測量,宇航員回來時確實只有26歲,而他的同胞兄弟已是60歲。
這個驚人的結果由法國物理學家泡爾·郎之萬(PaulLangevin)於1911年作了解釋:在所有連結兩個事件(在雙生子故事中是飛船從地球出發和回到地球)的世界線中,沒有加速度的那一條所耗的時間最長(圖6)。宇航員在其航程中必須加速和減速,這兩種情況的效果並不相抵消,他的原時因而總是比他的兄弟短得多(年齡的差別並不僅僅取決於旅行者的加速度,而且還有賴於航行的總持續時間,這裡單講加速度只是為將宇航員時間與地球時間作比較)。雖然看似荒唐,雙生子的幻想故事並不意味著愛因斯坦相對論的任何內在矛盾,而是表明了時間彈性的必然後果。
雖然相對論不允許我們運動得比光速更快,但它並非阻礙了而是促進了對深層空間的探索。將上面的雙生子故事(其中假定瞬時加速)變一下,現在假定飛船有一個恆定的加速度(相對於它的瞬時慣性參考系),其大小等於地球表面上的引力加速度,這對宇航員來說要舒服得多。飛船的速度將迅速增大到接近於光速,而不能達到光速,飛船上的時間將過得比地球上沒得多。按照它自己的鐘,飛船將用2.5年時間飛到最鄰近的恆星(比鄰星),它與地球相距4光年;經過大約45年,飛船就飛出了40光年;經過10年就到了銀河系中心,而地球上將是過了15000年;在25年裡(短於宇航員的年齡),飛船將能在整個可觀測的宇宙中邀遊一週,行程是300億光年!但這時的飛船最好不要再返回地球,因為太陽早已將行星都燒成灰燼,自己也早已熄火。
可是,這個異想天開的航行是實現不了的,因為需要有巨大的能量來維持飛船的加速。最好的方法似乎是把飛船自身的物質轉化為前進的能量,但即使轉換效率為百分之百,飛船在到達銀河系中心時所剩的質量已只有出發時的十億分之一,一座大山縮成了一隻老鼠。
相對論炸彈
我要是早知道,就會去做個造鐘錶的工匠。
——阿爾伯特·愛因斯坦
狹義相對論是得到最好驗證的物理理論之一。彈性時間的奇異現象已由實驗證實,不過不是在人體上(那太癇苦了),而是用基本粒子,把它們加速到接近光速所需的能量不難提供。高精度原子鐘也被放到了飛船裡,返回地面時它所顯示的時間的確比地球上的鐘要短(如果有人願意在一架以1000公里/小時的速度飛行的飛機裡坐上60年,與地面上的人相比他只能賺到千分之一秒的時間)。當然,慣性系之間的變換公式、四維時空結構以及時間彈性等,都是比較抽象的概念。狹義相對論之所以著名,是由於它所揭示的質量與能量的等價性,即E=me’這個簡單公式。
1905年,還猜不出狹義相對論有什麼實際應用,但它在哲學上的衝擊作用是立即顯示出來了。維持了數千年的信念被證明並不適合於真實世界。有些哲學家如本格森(Bergron)拒絕改變自己對世界的觀念,而把愛因斯坦理論看作一種純粹抽象的東西。對狹義相對論可靠性的懷疑要以廣島被原子彈毀滅為代價來消除,這真是一種可悲的諷刺。
狹義相對論支配著所有涉及高速度、高能量的現象。宇宙線流撞擊高層大氣會產生介子(一種基本粒子)簇射,這些介子的飛行時間(由地球上看)是它們壽命的50倍。更重要的是,狹義相對論使我們得以理解為什麼太陽能發光,那是因為它那裡每秒鐘有400萬噸物質被轉化成能量輻射出來。
我們在這裡清楚地看到了狹義相對論與天體物理之間的聯絡。但是,作為本書主題的黑洞與狹義相對論毫不相干。黑洞是引力的產物,而狹義相對論的時空連續體所描述的是一個理想化的真空,在其中運動的只有電磁波和重量小得可以忽略的粒子。在真實的恆星、星系和黑洞的宇宙裡,所有物體都受到引力。為了對此有所理解,我們必須繼續“破壞”時空,而這一次的鬥士就是廣義相對論。第三章 彎曲時空
等效原理
我相信,單純的思考足以瞭解世界觀