友情提示：如果本网页打开太慢或显示不完整，请尝试鼠标右键“刷新”本网页！
时间旅行指南-第5部分
快捷操作: 按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页 按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页 按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部! 如果本书没有阅读完，想下次继续接着阅读，可使用上方 "收藏到我的浏览器" 功能 和 "加入书签" 功能！
963），3开氏度微波背景辐射（1965），脉冲星（1967）和发现黑洞的可能（1971）。此外，在20世纪60和70年代，随着科技的进步，新的高精密工具在实验中得到运用，能测试出广义相对论是否是正确的重力理论。
狭义相对论和广义相对论中弯曲的时空之间的最大区别是程度上的不同。狭义相对论通常是接近于弯曲的时空，这个弯曲的时空在足够小的时空区域里是有效的，就如一个苹果的整个表面如果取极小的一段来看也接近于平面一样。针对在原子或者原子核物理中的大量应用，这种接近值非常精准，精准到相对作用能被假定为是正确的，换句话说，重力被假定为是完全不存在的。从这点看来，狭义相对论和它所有的推论都有可能来自于一个简单的假设。但是在重力条件下，狭义相对论近似其自然本性，对等原则决定了物质是如何回应弯曲时空的。最后，广义相对论是为了了解时空在物质存在下，能够弯曲到何种程度。
狭义相对论
狭义相对论的两个基本概念是惯性框架和相对论准则。惯性框架可以指向任何领域，比如自由落体实验，即所有物体都作匀速直线运动。这个领域摆脱了重力原则，被称为伽利略系统。
自由落体是重力的基本表现。比如，一个下坠的物体，被扔入空气中，在它的运动轨道上的任意一点都是自由落下的。尽管被许多天体的重力场所干扰，物体也许不会真正的朝着地心落下。当一个在一个容器里面自由落下时也是自由落体，并且体现了失重的现象。重力对人和容器都有相同的影响，所有对于容器来说没有加速的感觉。
相对论准则是，假设所有的物理实验结果都在一个惯性坐标系的实验室中，那么这些结果相对于坐标系的匀速运动是独立的。换句话说，在任何惯性坐标系中物理规律都必须有相同的形式。那么可以得出一个推论，无论光来源的速度或者观察者的原因，光的速度在惯性框架中肯定是一样的。事实上，所有的规律和狭义相对论的结果都来源于这些概念。
第一个重要的结果就是同时性相对论。因为在不同区域里的同时事件的操作性定义包含了他们之间光信号的传递，所以，当一个坐标系相对于另一个坐标系进行移动时，在一个惯性坐标系内同时进行的两件事情将不会同时进行。这个结论将推翻牛顿一个著名的概念，即通用时间。在一些方面，狭义相对论最重要的结论是，当它与量子力学合并时，它引导了许多对实验结论的预测。
相对论的数学基准是1908年，由一位德国数学家赫尔曼？闵可夫斯基（Hermann Minkowski）发明的。他发展了“四维时空连续统”的概念，这个理论包含了时间及三个空间维度。
对等原则和时空曲率
狭义相对论的闵可夫斯基时空理论与重力存在不相容。当一个地球的粒子，在一个坐标系中具有惯性，但在一个重力场可以忽略不计的地方，那么这个粒子在地球附近将不会有惯性。然而，这两者的近似兼容的性质可以被一个著名的重力理论证实，这个理论被称为弱等效原理（WEP）：所有规模不大的物体，在所提供的外界重力领域内，无论其质量、成分或者结构如何，它们都有相同的加速度。这个原则的正确性已经被伽利略、牛顿、弗里德里希？贝塞尔（Friedrich Bessel）以及20世纪初的巴隆？罗兰？冯？伊洛特洛斯（Baron Roland von Eotvos）证实（此后这样的实验都是以为他的名字命名的）。如果一个观察者在重力环境下乘坐一部自由落下的电梯，因为他们都是以同一速率落下，那么电梯内所有物体最后都会沿直线匀速运动，如重力已经消失一样。相反的，在一个没有任何重力的空间里，一个加速运动的电梯内，物体会以相同的加速度落下（因为它们的惯性），就像处在重力领域中一样。
爱因斯坦的观点是，在无重力领域中，这种消失的重力的情况不仅仅适用于机械运动，还适用于所有的物理规律，如电磁理论。因此，在任何自由落体坐标系中，物理规律（至少是本地的）应该采纳狭义相对论的理论。这被称为爱因斯坦等效原理（EEP）。
EEP的其中一个理论就是重力红位移，在一个频率上的位移，f代表光线，这条光线在重力领域中穿过高度h，给出了一个公式（Δ f）/f=gh/c^2，g代表了重力加速度，c代表光的速率。（如果光线频率下降，它就是蓝移位。）EEP第二个推测就是空间时间是可以被弯曲的。即使这是一个高科技的事件，物理学家设想一个两个坐标系自由落体的例子，但是在地球相反的一面进行。根据爱因斯坦等价原理，闵可夫斯基时空原理在本地的每个坐标系中都是有效的。然而，因为坐标系在朝各自靠近时是加速运动的，两个闵可夫斯基时空在它们遇到并且契合成一个时，不能进行延展。在重力演示中，时空在局部是一个平面，但是在球体上是弯曲的。
任何包含了爱因斯坦等价原理的重力理论都被称为“量度”理论（来自于几何学，重力的弯曲时空观点）。因为等价原理是这个观点的关键基础，它需要被精确的测试。伊洛特洛斯试验的版本于1964年在普林斯顿以及1971年在莫斯科进行演示，这个实验把EEP精确到了10^（…12）。重力红位移测量用于：1965年在哈佛大学，一条伽马线穿过了一座塔；1965年太阳表面放射的光线1976年用于飞机和火箭的自动闹钟，这些都证实了EEP的推测要精准得多。
广义相对论
等价原理和它的试验都证明了，时空的扭曲是被一种事物牵连，但是它们还不能说明时空曲率问题到底产生了多少能量。为了确定这个曲率，我们需要一个具体的重力公测原理，如广义相对论。广义相对论提供了一个方程组，从一个所给的物质分布上得到时空曲率的预算。爱因斯坦的目的是找到一个最简单的场方程来建立一系列的时空曲率和把物质分布作为一种资源的理论。这个结论是一组10个方程式。而这不是唯一一个公测原理。在1960年，除了曲率的场论方程和额外的引力场，引力场用曲率产生的方法来调解和论证的方程式，C。H布兰斯（C。H。Brans）和罗伯特？迪克（Robert Dicke）还发展和发表了测量理论。1960年到1976年之间，这个理论变成了广义相对论的主要对手。1916后，许多其他的测量理论出现。
至此，最重要的是广义相对论是否真的是正确的重力理论。过去科学家经常说爱因斯坦发现了3个经典理论：重力红位移、光偏转和水星近日点的转变。然而，红位移是一个基于方程式的测试，而不是广义相对论本身。直到爱因斯坦时代，还有两个新的重要测试被发现：一是夏皮罗二世（I。I。Shapiro）于1964年发现的时间延迟和1968年诺特维特发现的诺特维特效应。
1919年的日食探险确立了光偏正原理，这是广义相对论的重要时刻，也奠定了爱因斯坦的理论框架。根据这个理论，如果光线擦过太阳表面，那么将会已1。75″的电弧方向穿透扭曲的时空。不幸的是光学星光的挠度测量起来非常困难（一部分是因为日食，遮住了太阳的光），而且1919年到1973年的重复测量得出的是不准确的结果。这个理论被无线电波的挠度取代，这个电波来自于遥远的类星体并用于在白天大量采用的干扰程序。1969年到1975年，12种最终测量协议产生，其中的百分之一是对广义相对论的挠度的预测。
时滞效应是一种很小的返回延迟，它是光信号穿过靠近太阳的扭曲时空传到太阳远侧面的星球或者太空船，再返回地球的一种光信号传送方式。对于一束光，太阳表面摩擦的延迟达到1秒的200/1000000。1964年起，雷达测距系统程序测量水星和金星到水手飞船6号、7号和9号的延迟，与维京火星探测器相比，已经能够证实这个预测精准0。5％。
诺特维特效应是一个没有在广泛相对论中出现，但是能预测很多重力现象的替代度量理论，包括布兰斯…迪克理论（Brans…Dicke theory）。它可能破坏了与重力相连接的像行星或者恒星这样巨大物体的加速度平等。这样一种影响的存在不会破坏弱等效原则作为弯曲时空的基础应用，这个原则只用于那些内部重力连接可以忽略不计的中等大小的物体。广义相对论最显著的特质之一是它能满足各种类型物质的燃点。假设诺特维特效应出现了，之后地球和月亮将会受到太阳的吸引，而稍微加速，结果就是能在激光测月上观测到月球轨道上出现的微扰。激光测月是一种通过阿波罗宇航员利用激光脉冲反射到镜子中的阵列来测量月球距离的技术。从1969年到1976年间获得的数据看来，没有这样的扰动被检测到，误差少于30厘米（1英尺），与广义相对论的零的预测完全一致，和布兰斯…迪克理论的预测完全不同。
在最后的十年中，人们做了更多微妙重力效应的二次实验。广义相对论每一次都通过了实验，然而反对广义相对论的大部分实验都失败了。重力辐射和惯性参考系拖拽实验现在也被开发出来了。有一个实验将涉及到把一个旋转的物体放在地球轨道上，观察预期的相对论效应。
宇宙论和时间
广义相对论在天文学上的第一个应用是在宇宙学领域。这个理论预测了宇宙会从一个最初封闭的状态不断扩大，这就是人们所说的宇宙大爆炸。许多年来，大爆炸理论一直受到另一个被称为稳态理论的质疑。稳态理论是以整个宇宙中的物质是不断创造出来的概念提出来的。然而，之后人们对宇宙知识更加了解，强烈支持大爆炸理论，反对稳态理论。这样的调查结果既不是由相对论预测的，也不和相对论冲突，因此也进一步支持了这个理论。也许最有争议的证据就是在1965年，背景辐射的发现。大量的电磁辐射在大约2。7K（零度以上的27摄氏度）的温度下充满了整个宇宙。背景辐射也是由广义相对论提出的假设，被认为是早期在热阶段的宇宙大爆炸之后留下的痕迹。宇宙中观测到的大量的氦（按重量计算有20％到30％）也是广义相对论预测的宇宙大爆炸的必然结果。
另外，广义相对论暗示了许多不同种类的天象存在，其中包括中子星、黑洞、引力透镜和重力波。根据相对论理论，中子星将是很小的，但又是极其大的类星体。例如，一颗半径为10公里的中子星的质量就和太阳相当了。这种星星被万有引力压缩，使得它们的密度可以和主要是由中子组成的原子核内的密度相比。这样的星星被认为是剧烈的天体运动，像超新星和其他星星的爆炸的结果。第一次提出中子星是在20世纪30年代，具有这种类型特质的许多星体也都被一一证实了。1967年，许多天体中的第一个，现在被叫作脉冲星的天体也被发现了。这些发出快速的常规脉冲辐射的星星，现在也被认为是快速旋转的中子星，这些中子星的脉冲周期展示了其旋转周期。
黑洞是广义相对论预测中最奇异的，尽管其概念可以追溯到20世纪之前。这些理论对象是那些在强重力场中的天体。由于它们处于强重力场中，没有任何粒子或者辐射能逃离它，甚至是光线也无法逃离，因此得名为黑洞。黑洞最有可能是超巨大星星爆炸产生的，它们可以随着其他物体进入它们的吸引领域而不断扩大。一些理论家推测超巨大的黑洞存在于某些星团和某些星系的中心位置，其中包括它们自身的中心位置。尽管这种黑洞的存在毫无疑问还没有得到证实，但是它们存在的证据在许多知名网站上却是很充足的。
理论上，即使是一个相对很小的质量都可能成为一个黑洞。这个质量将会被压缩到更高的密度，直到它减小到某个临界半径。这种所谓的“黑洞表面”被称作施瓦兹希尔德半径。因为它是1916年由德国天文学家卡尔？施瓦兹希尔德（Karl Schwarzschild）提出来的。（他的公式适用于非自转天体）自转天体的图形数据在1963年由新西兰数学家罗伊？科尔（Roy Kerr）研究确定。对于一个和太阳同等质量的天体，其地平线大约有3公里长。科学家如英国理论物理学家斯蒂芬？霍金（Stephen Hawkiing）观察到，微型黑洞的确存在。
引力透镜的概念是根据已经讨论过且证明的相对论预测的，当光从一个较大天体如恒星旁边经过时，它的轨道偏离了。具体偏离多少基于该天体有多大。从这点我们可以看出超大天体如银河系相当于同等的天然透镜，让光从更远的天体那边穿过。第一个引力透镜于1979年被发现。
广义相对论所预测的现象现在还没得到确实的证明，但是：引力波是存在的。引力波是由引力磁场的变化所产生的。它们以光速运动，传递能量，引起粒子组之间的相互运动（或在更大物质中产生张力）。天文物理学家认为引力波是由动力源散发出的，如超新星、双子星（或聚星）系统以及黑洞，或黑洞之间的碰撞所产生。人们经过多种尝试来观察该类波段，但是目前还未取得成功。
对于广义相对论更重要的问题是，科学家正尝试把引力和量子力学结合起来，成为现代物理学的范例。对于量子宇宙论的研究人员来说，其主要目标就是这些统一标准的磁场理论。
时钟佯谬
时钟佯谬是矛盾理论的一种最好的例子，是用来测试相对论特殊理论的逻辑一致性，或在一些事列中尝试纠正一些理论。要用公式说明这个矛盾理论，第一，假设一个实验，当这个实验用一种方法分析时这个理论就有了一个结果，但是当你用不同的方法来分析时就会出现完全相反的预测结果。对于上述所说的大家都没意见，但是一个精确的相对论原理应用就能很简单地解决这个矛盾理论的问题。
时间佯谬的简单版本陈述如下：一对长得很像的双胞胎，查理和基普，他们以反方向运动，查理呆在家而基普乘坐火箭飞船以匀速飞往远处的目的地。当他要到达的时候，基普再以匀速飞回家。在查理看来，基普的时间要比他慢得多，因为基普的速度导致了时间的相对扩张。于是当基普返回时会比查理更年轻。这是一个很大胆的假设，即使是真的，也并非自相矛盾。时钟佯谬发生于从基普的角度来看这件事。从基普的角度来说，是查理以匀速运动离开然后返回。因此它的时间应该比基普的慢，应该是查理变年轻。两种推测都不合理，很显然时钟佯谬产生了。
想要解决时钟佯谬最简单的办法就是要认识到这两种情况不是相对称的。查理在整个实验中一直处在惯性系中（或在牛顿法则的非加速情况下），而基普为了停止飞船并调转方向则须加速，他注意到查理的时间加速并超过了他的时间。他通过严谨的相对论公式计算得出这一结论，用惯性系这一结果，他加速的瞬间事实上是处于停顿状态。因为这些惯性系拥有不同的速度，他必须考虑到系统的差异，在某种程度上会把时间从一个系同步到下一个。
用另外一种方式来理解查理时间的加快，即等量原则。基普不能区分他的加速系在同一引力磁场中处于停顿，其中有个很明显的蓝移加快了查理的时间。最后结论就是：两个观察者都同意基普一定会变年轻。
1966年，在瑞士日内瓦欧洲核子研究委员会加速器中开展的实验证实了这一结果。被称为MU介子的元粒子被磁场所限制，以99。6％的光速进行圆周运动。返回的介子果然变得更新了。那就是说，介子比在实验室静止的时候衰退的更慢。于是，两个实验和理论的成功实践证明没有时间佯谬之说。
上图：这个数字说明了一个代表二维的平面三位空间的曲率。那些线穿越时空。一个物体进入了平面，导致了平面发生扭曲。而能量同样可以做到，就跟爱因斯坦的广义相对论所说的一样。
来自莫里？B。金的《量子真空零点能》
下图：固定粒子恒速粒子加速粒子（左至右，上至下）
来自保罗？那金的《时间机器》（Time Machines）
时空连续体
时空连续体就跟上文说过的一样，是广义相对论的一个部分。它成功代替了牛顿有关空间和一个分隔的绝对的时间的概念。在牛顿力学中，任何事物都能在空间里和时间t的某个点联系起来。这个坐标是任意选定的，但是两个量是独立的选择：两个事件的空间距离，德耳塔（希腊字母的第四个字）I（ΔI）和它们之间在时间上具有独立性，德耳塔t（Δt）。
但是随着相对论的问世，很明显，时间是取决于速率的，德耳塔I和德耳塔t也不再是单独不变的。德耳塔I经受了长度收缩（FitzGerald…Lorentz contraction），德尔塔t经过了时间延缓。一个新的量，德尔塔s反而是不变的。�
快捷操作: 按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页 按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页 按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部!
温馨提示： 温看小说的同时发表评论，说出自己的看法和其它小伙伴们分享也不错哦！发表书评还可以获得积分和经验奖励，认真写原创书评 被采纳为精评可以获得大量金币、积分和经验奖励哦！