董威

“這里的一個小時相當于地球上的7年。”發(fā)生在電影《星際穿越》中假設的米勒行星上，在那的一小時，相當于地球上過了7年，時間膨脹比達到了8700多倍……這情節(jié)看似科幻，卻有著一個十分硬核的科學理論作為支撐，那就是廣義相對論。

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

愛因斯坦的夢

20世紀初，眾多物理學家開始對牛頓的絕對時空觀提出挑戰(zhàn)，有人想扳倒它，也有人想證明它，所以，狹義相對論的出現，就成了歷史的必然。只不過，如果沒有愛因斯坦，這個結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，時間、長度、質量、能量……于是，運動的物體時間會變慢，長度會縮短，質量會增加……這些都是狹義相對論的效應。而隨后的廣義相對論的發(fā)表則成為愛因斯坦獨步天下、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，但是現實中根本找不到真正絕對的慣性系。真實物理世界中，基本上一動就要遇上加速度。所以這樣的實驗環(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，將時空融為一體的廣義相對論就誕生了。

有了這個理論作為基礎，時空的彎曲就變得不難理解，時間變成了可以壓縮或者拉長的維度。這個時候，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現的了。

在宇宙中，由于時空的不平坦性，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生的距離這么簡單，而是一個整體的概念，就像牛奶，既不是牛和奶，還同牛和奶都相關，宇宙同樣是這個道理，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，根據時空中運動速度恒定的原理，在空間中運動的速度會分走在時間中的運動速度，飛得越快，時間流逝得就越慢。假設飛往50光年以外的星球，地球上會度過真正的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天的時間流逝。這種在時間中運行得很快，在空間中運行得很慢的感受就是“地下一年”；而在時間中運動很慢，在空間中運動很快的就是“天上一天”。由此我們還可以得到一個推論，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間差就是50年，也就是兩顆星球之間有50年的時差。

關于“黑洞”

如果愛因斯坦的理論成立，我們可以通過空間的轉移“偷走”時間，但這必須要在極短的時間里跨越一段遙遠的距離才能實現。這個理論是否看起來有些眼熟，想想孫悟空要到那個“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，就說說按照人類現在已知方法，究竟能不能實現穿越時空。

日本物理學家加來道雄在《不可能的物理學》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納米級的蟲洞，這個蟲洞允許把一個人分解成原子的形態(tài)通過蟲洞并在另一邊組裝起來，這就是時間機器的理論支撐，更為時空穿越提供了可能。

按照牛頓的萬有引力定律，當引力強到一定程度，會引起空間維度和時間維度的嚴重彎曲，甚至連光都彎曲到進去出不來，所以我們就有了“黑洞”的概念。黑洞曾是相對論預言的天體之一，在20世紀被天文學證實存在，對于黑洞這樣的極端天體，其視界內的時空彎曲情況非常復雜，而其外部只要距離足夠遠，就可以把它看做一個點的質量，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，卡岡圖雅黑洞的質量在電影中被假定為1億倍太陽質量，如果以此計算，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，導致米勒星球上的時間膨脹效應非常明顯，男女主角在米勒星球上的幾個小時，外界卻過了23年，時間膨脹比是8700多倍。

開發(fā)時間

愛因斯坦認為，時間和空間不僅不能獨立于宇宙，且無法相互獨立。這就說明了時間和空間在廣義相對論下，就是一對不可分離的整體。引力不會只使空間彎曲，而不改變時間。

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

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

有了這樣的理論作為前提，我們就很容易理解，物體在空間中的運動速度會分走其在時間中的運動速度?？臻g中運動越快，時間中就越慢，時間和空間是兩個相互垂直的維度。如果空間運動達到光速，在時間中就停止了，這也就解釋了宇宙大爆炸產生的光子，直到現在還是原來的模樣，因為它的速度達到了光速，在時間維度上就是停止不動的。相反，我們人類在空間中以極低的速度生活著，所以我們便能感受到時間的快速流逝。

“一寸光陰一寸金，寸金難買寸光陰”，兒時的勵志名言之中，居然隱藏著如此深刻的物理學意義，真的是直到今天才發(fā)現，時間作為資源的珍貴性。用廣義相對論的理論來解釋，我們在四維時空中，由于無法提升空間運動速度的極限，那么在時間的維度上，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濟往來變得常態(tài)化，那么利用星球間時間差從事金融貨幣貿易一定是個非常明智的選擇。50年的時差會帶來財富大規(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行休眠，一覺醒來也能實現財富自由……利用時間可實現的夢想還真多呢！