董威

“這里的一個(gè)小時(shí)相當(dāng)于地球上的7年?！卑l(fā)生在電影《星際穿越》中假設(shè)的米勒行星上，在那的一小時(shí)，相當(dāng)于地球上過了7年，時(shí)間膨脹比達(dá)到了8700多倍……這情節(jié)看似科幻，卻有著一個(gè)十分硬核的科學(xué)理論作為支撐，那就是廣義相對論。

不過，廣義相對論是什么，這個(gè)聽起來神秘莫測、使得愛因斯坦家喻戶曉的物理學(xué)理論，又跟我們所知的“天上一天，地上一年”有什么關(guān)系呢？

愛因斯坦的夢

20世紀(jì)初，眾多物理學(xué)家開始對牛頓的絕對時(shí)空觀提出挑戰(zhàn)，有人想扳倒它，也有人想證明它，所以，狹義相對論的出現(xiàn)，就成了歷史的必然。只不過，如果沒有愛因斯坦，這個(gè)結(jié)論恐怕還要等上幾十甚至上百年。

在狹義相對論中，愛因斯坦假設(shè)光速在不同的參考系下都一樣，把牛頓體系里萬有引力定律以外的東西重新推理了一遍。在新公式里，一切皆與光速有關(guān)，時(shí)間、長度、質(zhì)量、能量……于是，運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)間會(huì)變慢，長度會(huì)縮短，質(zhì)量會(huì)增加……這些都是狹義相對論的效應(yīng)。而隨后的廣義相對論的發(fā)表則成為愛因斯坦獨(dú)步天下、問鼎“人類歷史最高智力成就”寶座的秘籍。

狹義相對論基于慣性，且沒有加速度條件，但是現(xiàn)實(shí)中根本找不到真正絕對的慣性系。真實(shí)物理世界中，基本上一動(dòng)就要遇上加速度。所以這樣的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，只能存在于人的想象中。有故事這樣描述：成為瑞士伯爾尼專利局一級專利員的愛因斯坦，一次午后辦公室小憩的噩夢給他帶來了“一生中最快樂的想法”，他夢到自己在電梯里垂直自由下落，于是便在有引力的地方都加入一個(gè)自由落體參考系將引力消除，把相對論從慣性系推廣到非慣性系，無論有沒有加速度，相對論都能成立，于是，將時(shí)空融為一體的廣義相對論就誕生了。

有了這個(gè)理論作為基礎(chǔ)，時(shí)空的彎曲就變得不難理解，時(shí)間變成了可以壓縮或者拉長的維度。這個(gè)時(shí)候，我們就該講講“天上一天，地上一年”，究竟是如何在廣義相對論下實(shí)現(xiàn)的了。

在宇宙中，由于時(shí)空的不平坦性，我們無法用米來定義距離，只能用光年來定義距離。而光年并不是光行走了一年所產(chǎn)生的距離這么簡單，而是一個(gè)整體的概念，就像牛奶，既不是牛和奶，還同牛和奶都相關(guān)，宇宙同樣是這個(gè)道理，所以我們既可以把光年看做是空間距離，也可看做是時(shí)間距離。

在星際旅行中，我們想象宇宙飛船的速度可以無限接近光速，根據(jù)時(shí)空中運(yùn)動(dòng)速度恒定的原理，在空間中運(yùn)動(dòng)的速度會(huì)分走在時(shí)間中的運(yùn)動(dòng)速度，飛得越快，時(shí)間流逝得就越慢。假設(shè)飛往50光年以外的星球，地球上會(huì)度過真正的50年，而身處宇宙飛船中，以光速飛行的人，所感受到的只有81天的時(shí)間流逝。這種在時(shí)間中運(yùn)行得很快，在空間中運(yùn)行得很慢的感受就是“地下一年”；而在時(shí)間中運(yùn)動(dòng)很慢，在空間中運(yùn)動(dòng)很快的就是“天上一天”。由此我們還可以得到一個(gè)推論，如果星際旅行中兩顆星球的空間距離是50光年的話，那么這兩顆星球的時(shí)間差就是50年，也就是兩顆星球之間有50年的時(shí)差。

關(guān)于“黑洞”

如果愛因斯坦的理論成立，我們可以通過空間的轉(zhuǎn)移“偷走”時(shí)間，但這必須要在極短的時(shí)間里跨越一段遙遠(yuǎn)的距離才能實(shí)現(xiàn)。這個(gè)理論是否看起來有些眼熟，想想孫悟空要到那個(gè)“天上一天，地上一年”的地方，需要用什么方法？要知道，《西游記》可是一部創(chuàng)作于明代的文學(xué)作品，比愛因斯坦的狹義相對論早了300多年。

既然我們造不出與光同速的飛行器，也駕馭不了小說里的筋斗云，就說說按照人類現(xiàn)在已知方法，究竟能不能實(shí)現(xiàn)穿越時(shí)空。

日本物理學(xué)家加來道雄在《不可能的物理學(xué)》中提出，如果把太陽一天放出的能量全部采集，可以讓我們打開一個(gè)納米級的蟲洞，這個(gè)蟲洞允許把一個(gè)人分解成原子的形態(tài)通過蟲洞并在另一邊組裝起來，這就是時(shí)間機(jī)器的理論支撐，更為時(shí)空穿越提供了可能。

按照牛頓的萬有引力定律，當(dāng)引力強(qiáng)到一定程度，會(huì)引起空間維度和時(shí)間維度的嚴(yán)重彎曲，甚至連光都彎曲到進(jìn)去出不來，所以我們就有了“黑洞”的概念。黑洞曾是相對論預(yù)言的天體之一，在20世紀(jì)被天文學(xué)證實(shí)存在，對于黑洞這樣的極端天體，其視界內(nèi)的時(shí)空彎曲情況非常復(fù)雜，而其外部只要距離足夠遠(yuǎn)，就可以把它看做一個(gè)點(diǎn)的質(zhì)量，黑洞有著巨大的能量，這些能量足以使得周圍的空間發(fā)生嚴(yán)重的彎曲。就像電影《星際穿越》中，米勒行星位于卡岡圖雅黑洞附近，卡岡圖雅黑洞的質(zhì)量在電影中被假定為1億倍太陽質(zhì)量，如果以此計(jì)算，該黑洞視界半徑大約有3億公里，是日地距離的2倍。米勒行星受黑洞引力的影響，導(dǎo)致米勒星球上的時(shí)間膨脹效應(yīng)非常明顯，男女主角在米勒星球上的幾個(gè)小時(shí)，外界卻過了23年，時(shí)間膨脹比是8700多倍。

開發(fā)時(shí)間

愛因斯坦認(rèn)為，時(shí)間和空間不僅不能獨(dú)立于宇宙，且無法相互獨(dú)立。這就說明了時(shí)間和空間在廣義相對論下，就是一對不可分離的整體。引力不會(huì)只使空間彎曲，而不改變時(shí)間。

我們都知道，運(yùn)動(dòng)的方向很重要，速度再快，如果方向不對，都很難快速到達(dá)目標(biāo)。那么任何物體的運(yùn)動(dòng)速度都可以分解為互相垂直的三個(gè)方向上的合成速度，在總速度恒定的前提下，如果一個(gè)維度上的速度增大，另外兩個(gè)維度上的合成速度減小。

愛因斯坦提出，這個(gè)宇宙中任何運(yùn)動(dòng)速度都是光速，這個(gè)速度并非我們前面提到的三維空間速度，而是時(shí)空中的速度，我們可以把它看做是三維空間加時(shí)間的集合，也就是四維時(shí)空。我們每個(gè)人都生活在四維時(shí)空中，而我們的運(yùn)動(dòng)速度都恒定為光速。

有了這樣的理論作為前提，我們就很容易理解，物體在空間中的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)分走其在時(shí)間中的運(yùn)動(dòng)速度。空間中運(yùn)動(dòng)越快，時(shí)間中就越慢，時(shí)間和空間是兩個(gè)相互垂直的維度。如果空間運(yùn)動(dòng)達(dá)到光速，在時(shí)間中就停止了，這也就解釋了宇宙大爆炸產(chǎn)生的光子，直到現(xiàn)在還是原來的模樣，因?yàn)樗乃俣冗_(dá)到了光速，在時(shí)間維度上就是停止不動(dòng)的。相反，我們?nèi)祟愒诳臻g中以極低的速度生活著，所以我們便能感受到時(shí)間的快速流逝。

“一寸光陰一寸金，寸金難買寸光陰”，兒時(shí)的勵(lì)志名言之中，居然隱藏著如此深刻的物理學(xué)意義，真的是直到今天才發(fā)現(xiàn)，時(shí)間作為資源的珍貴性。用廣義相對論的理論來解釋，我們在四維時(shí)空中，由于無法提升空間運(yùn)動(dòng)速度的極限，那么在時(shí)間的維度上，我們就有了更多可開發(fā)之處。

如果哪一天，宇宙中各種文明之間經(jīng)濟(jì)往來變得常態(tài)化，那么利用星球間時(shí)間差從事金融貨幣貿(mào)易一定是個(gè)非常明智的選擇。50年的時(shí)差會(huì)帶來財(cái)富大規(guī)模的增長，一趟簡單的太空旅行，你就有可能真的成了富翁。你也可以待在光速倉中進(jìn)行休眠，一覺醒來也能實(shí)現(xiàn)財(cái)富自由……利用時(shí)間可實(shí)現(xiàn)的夢想還真多呢！