第三十章 星際旅遊

  我們可以稱作在宇宙太空遨遊的亞特蘭蒂斯大陸為大陸形式的宇宙飛船，他以人造核反應堆，所謂的“人造太陽”作為飛行在太空的動力源，並且這個動力源能夠達到的速度超越了光速，這就使長達幾億光年的距離在短時間幾年時間內到達成為了一種可能。


  人類對於速度的超越的極限始終從事著探索，從在地球引力範圍之內對速度的極限超越，到外太空沒有引力限製的對於速度的極限的超越，以及相對論中對於速度和時間的極限的定義“當速度超越了光速的時候時間將會倒流。”的狹義相對論，和相應的廣義相對論的彎曲的時空概念。


  愛因斯坦在1905年創立以四維時空變換為基礎的運動學，即狹義相對論（SR）。在愛因斯坦之前的時空觀認為，相互運動的兩個觀測者彼此使用同一個鍾，因此時間表述相同。然而，這個隱喻的“同時”觀念在考慮高速運動時遇到問題，這是由於觀測信號的速度是光速c。


  即每秒30萬公裏，當我們運動速度接近光速時，就必須考慮兩者信號速度導致的時間偏差。日常生活中，我們的速度遠遠於光速，比如車速100公裏時，這隻是光速的千萬分之一，不足為慮。地球衛星的軌道速度如10公裏秒，這是光速的十萬分之三。


  因此軌道衛星的GPS計時係統在長期運行時要考慮相對論效應。以上就是四維時空引入的理由，那就是參考係統彼此聯絡信號光速的考慮。這裏光線運動和自由粒子仍然是直線，所以時空是平直的。


  隨後愛因斯坦便開始考慮在引力場中的運動描述，而星體萬有引力將帶來加速運動，這將與勻速運動的狹義相對論時空變換完全不同，那裏的觀測者彼此勻速運動。直到1915年，在數學家格羅斯曼和希爾伯特的幫助下，整合了狹義相對論和牛頓萬有引力定律於一體。


  將引力場“力”的概念描述描述成時空彎曲，即光線在引力場運動走測地線，這好比地球表麵的大圓。在地麵，我們的經驗告訴自己走路是直線，假如你的路延長20公裏，可能會發現你自己的路向下彎曲了，因為地球是圓的。這在歐洲地中海航海史上，人們發現遠方的船是慢慢地逐步跳下我們的視線。


  這明大海水麵在大尺度是球麵。但是在範圍，球麵近視看成平麵沒有問題。同樣的道理，在的區域，引力造成的時空彎曲不明顯，所以平直時空是完美近似。


  當引力場較強，觀測區域變大時，彎曲的效應就得考慮，否則誤差太大。舉例類比，在北京市區旅行，你不要考慮地麵彎曲問題；但是北京到海南島的大尺度旅行，緯度引起的地麵彎曲就值得考慮了。所以在引力場下，狹義相對論（SR） 牛頓引力理論，變成了廣義相對論（GR）。


  當引力場極其微弱時，GR回歸SR；當運動速度較慢時，GR回到牛頓引力理論。因此廣義相對論是以往理論成就的登峰造極，它不違反傳統的低速弱引力的實驗事實。


  換言之，狹義相對論和牛頓引力定律僅僅是愛因斯坦廣義相對論的近似情況。那麽，廣義相對論的獨特新結論和預言將是什麽情況？

  炮彈在引力場下走拋物線，這是引力場造成的，即彎曲時空軌道運動的表現。如果沒有引力場，或者沿著地心徑向運動，那麽炮彈走直線了。顯然，牛頓蘋果的下落屬於後者的地心指向運動情況。


  就此，愛因斯坦廣義相對論提出了三個可以驗證的實驗，並在其後由文學家和物理學家實現了驗證。這就是引力紅移，光線偏折和水星近日點進動。後來又增加鄰四個驗證，即雷達回波的時間延遲。