淺釋相對論常見誤解

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淺釋相對論常見誤解

相對論是每位天文愛好者都有所了解的學科，也是天文工作者必備的工具之一。作為物理學中一顆璀璨的明珠，相對論一直以來備受推崇。狹義相對論中神奇的尺縮效應、鐘慢效應也為愛好者們津津樂道。但由於大部分人並沒有認真地、系統地去學習過相對論，加上科普書常常寫得模稜兩可，含糊不清，所以很多人一直以來對相對論中一些定理定義的理解較為模糊，以致得出一些看似「正確」的推論。而本篇文章里，小編就為大家對相對論的一些常見錯誤理解提個醒。

愛因斯坦和洛倫茲

超光速會導致時間倒流？

對於一些科幻迷來說，科幻電影和科幻小說是學習生活中必不可少的，然而在一些電影或小說里經常存在這樣的情景，一個人乘坐超光速的時光機器回到了過去，於是不少人理所應當地覺得超光速時間會倒流。

但是實際上，大多數人所理解的時光倒流，實際上是一種是對「尺縮效應」和「鐘慢效應」錯誤理解，這些人大概是按照以下的邏輯思維來思考的：物體運動速度越快時間流逝得越慢，當物體運動速度到達光速時，時間便停止流逝；當物體速度超過光速時，時光倒流。乍的一聽貌似這番推導也不無道理，但是仔細想想，如果時間倒流了，那麼時間就會變成負值（以變化的那一瞬間為時間參考零點），這與狹義相對論理論是相悖的。在狹義相對論理論體系下，超光速時間倒流的推論是錯誤的。

而在廣義相對論觀點下，是否能建成時光機器也是被廣泛討論的問題。大物理學家霍金對此提出了一個「時序保護猜想」，而我國的劉遼先生則關於這點提出了一個可能的假設，使得建設時光機器變得可行。

蟲洞的想像圖

另外，單就指超光速而言，目前尚未有任何能傳遞信息的超光速現象被發現。常見的「偽超光速」或者「視覺超光速」要麼不傳遞任何信息，要麼並非真正的運動。大體可分為一下幾類：

（1）想當然的超光速

例如，假設有一足夠長的剛體，在一側撥動它，那麼它的線速度就會超過光速。類似的還有光斑或者影子。

要知道，對於剛體而言，首先這就是一個理想模型，在現實世界中是不存在理想剛體的。要想使得物體運動起來，作用力需要沿著物體中的粒子傳遞。而這個傳遞的速度最快也是光速。所以說，如果真能夠完成這個實驗，那麼這個「剛體」會逐漸變彎。

而對於影子和光斑也類似。更何況，新的「影子」或「光斑」只不過是視覺效果而非真的運動。給我一個足夠大的熒屏，我可以讓一個粒子在這一幀和下一幀的運動速度「看上去」超光速，但是這毫無意義。

（2）超過了介質中的光速

典型例子是切倫科夫實驗中，有些粒子的確運動速度會超過介質中的光速。但是這是沒有意義的，我們所說的超光速是要超過真空中的光速。

（3）虛粒子

虛粒子只是一個數學上的工具而已，並非實際粒子。

（4）卡西米爾效應

卡西米爾效應是指，當兩塊不帶電荷的導體板距離非常接近時，它們之間會產生非常微弱，但仍可測量的力。卡什米爾效應是由真空能引起的。計算表明，在兩塊金屬板之間橫向運動的光子的速度必須略大於光速，才會出現這種效應。而在特定的宇宙學條件下，這種效應會顯著得多。但進一步的理論研究表明不可能利用這種效應進行超光速通信。

（5）宇宙的膨脹與星系的運動

根據哈勃定律，足夠遠的星系的的退行速度可以超過光速，但是如果真足夠遠了就無法觀測到。若想觀測這一現象，則必須是觀測者觀測兩個星系的相對運動。更何況，這並非真正的運動，而是空間的膨脹而已。和我們相對運動的星系的視速度可能超光速，但這其實也是經典力學的誤用，在這個過程中，我們沒有修正從星繫到地球的光行差。

相對論中常用的時空圖

相對論看似高端，但離實際生活較遠，缺少實驗驗證，這個理論只是理論，沒實際用途？

相對論早已被實驗所驗證，比如近期的引力波，過去的日全食引力透鏡實驗等；而狹義相對論的驗證實驗大體可分為六種：光速不變原理的實驗檢驗；相對性原理的實驗檢驗；光子靜止質量上限的實驗；時間膨脹實驗；相對論力學實驗；緩慢運動媒質的電磁現象實驗。

另一方面，對於相對論理論的應用早已滲透我們生活的方方面面，GPS全球定位系統（X,Y,Z,t定位）中時間坐標就可能因為延遲0.000073s（光速）而產生很大誤差、另一個著名的應用莫過於質能方程在核技術核科學中的應用了。

另外，相對論理論在天體物理的相當多的領域中的研究中起著舉足輕重的作用，例如，沒有相對論就沒有今天的現代宇宙學，更不用說緻密星研究了。

美麗的愛因斯坦場方程

相對論說存在平行宇宙？

平行宇宙經常出現在各種科幻作品中，即存在另一個與我們現在所處的宇宙相互平行、互不干擾的宇宙，在這個宇宙中包括了另一種可能性，可能你在我們的宇宙中未完成的事情在另一個宇宙中完成了。平行宇宙是指多元宇宙所包含的各個小宇宙，多元宇宙是各種可能存在的宇宙的集合，包含了一切可能的空間、時間、物質、能量以及物理法則和物理常數。從廣義上講：平行宇宙就是宇宙在高一維度的空間中多出來的方向上有差值的平行時空。

但平行宇宙並不是從相對論提出來的，實際上它的雛形來自量子力學，來自不確定性關係。上世紀中葉時物理學家在觀察量子時發現量子狀態都不相同，而由於宇宙空間中所有量子都由量子組成，因此科學家推測宇宙也可能並不止一個，而存在多個類似的宇宙。目前與其說它是一個科學假設，不如說它是科幻小說常見的世界觀設定。如果大家感興趣還可以在微信里搜索一下陳學雷研究員近期在「知識分子」公眾號上發表的《宇宙是唯一的嗎？》。

相對論是一個時空理論

宇宙大爆炸之前奇點體積無窮小？

歷史上，首次提出大爆炸理論的學者是比利時的天文學家和宇宙學家勒梅特。在1929年，勒梅特提出這一理論的兩年後，天文學家哈勃根據觀測數據大膽地提出了哈勃定律：星系的紅移量與星系的距離成正比，由此驗證了星系都在相互遠離的宇宙膨脹假說。

而大爆炸理論的正式提出則是在1946年伽莫夫和阿爾法、貝塔合作的論文中。宇宙大爆炸理論認為宇宙是由一個緻密熾熱的奇（二聲，同「齊」）點於137億年前一次爆炸後迅速膨脹形成的，爆炸之初，物質只能以質子、中子、電子、光子和中微子等基本粒子的形態存在，爆炸之後溫度和密度很快下降，基本粒子組合成原子、分子等，而後進一步複合成各種物質，出現了星系等。

大爆炸的提出基於兩個基本假設：物理定律的普適性和宇宙學原理，宇宙學原理即在大尺度下的宇宙是均勻且各向同性的。有興趣的同學可以閱讀北京大學俞允強教授的《熱大爆炸宇宙學》深入了解這一話題。

宇宙奇點這個詞會讓大家誤認為奇點的體積是無窮小的。實際上宇宙大爆炸是全空間的爆炸，而宇宙奇點的體積和我們所在宇宙的純空間曲率有關。如果純空間曲率為正，那麼宇宙奇點的體積趨於零，反之則有可能無窮大。

宇宙的命運

一切都是相對的？

實際上，愛因斯坦、洛倫茲等人也並不認為「相對論」是個非常合適的名字。認為一切都是相對的明顯是望文生義了。這就好比公孫龍先生並不是一條龍。

一切都是相對的？愛因斯坦：我沒說！

引力效應是空間彎曲？

我們知道，狹義相對論以閔氏時空為背景時空，廣義相對論則是以彎曲時空為背景時空的，在廣義相對論觀點下，我們生活在四維時空里。注意是時空彎曲不是空間彎曲。在這個觀點下，萬有引力的產生是由於物質的存在和一定的分布狀況使時間空間性質變得不均勻，即所謂的彎曲時空，也就是說，我們常用的歐氏幾何只不過是一種局部近似而已，而這個局部的平直近似是建立在一種非歐幾何——黎曼幾何之上的。

黎曼幾何和歐氏幾何的差距就是度規不一樣。換句話說，定義一種線元，就可以定義一種幾何。在這裡，度規是個二階張量，也就是4×4的矩陣。愛因斯坦在此基礎上建立了引力場理論，物質的分布和時空的彎曲的關係可以用愛因斯坦場方程描述。而描述時空的彎曲程度的張量稱之為曲率張量，又稱黎曼張量。物體的相對質量越大，則由此造成的時空彎曲越明顯，曲率越大，即產生的引力場也越強。

當引力不可忽略時，時空背景不再是平直時空而是某種彎曲時空，也就是說，引力效應並非空間的彎曲，而是4維時空的彎曲，時間和空間是不可割裂的。

實際上，即使在我們的太陽系這麼大的尺度下，使用平直時空的觀點仍不會造成太多誤差，這時候，行星等天體繞太陽的公轉規律就可以用經典動力學求解。