第三十章 星际旅游（1 / 1）

我们可以称作在宇宙太空遨游的亚特兰蒂斯大陆为大陆形式的宇宙飞船，他以人造核反应堆，所谓的“人造小太阳”作为飞行在太空的动力源，并且这个动力源能够达到的速度超越了光速，这就使长达几亿光年的距离在短时间几年时间内到达成为了一种可能。

人类对于速度的超越的极限始终从事着探索，从在地球引力范围之内对速度的极限超越，到外太空没有引力限制的对于速度的极限的超越，以及相对论中对于速度和时间的极限的定义“当速度超越了光速的时候时间将会倒流。”的狭义相对论，和相应的广义相对论的弯曲的时空概念。

爱因斯坦在1905年创立以四维时空变换为基础的运动学，即狭义相对论（SR）。在爱因斯坦之前的时空观认为，相互运动的两个观测者彼此使用同一个钟，因此时间表述相同。然而，这个隐喻的“同时”观念在考虑高速运动时遇到问题，这是由于观测信号的速度是光速c。

即每秒30万公里，当我们运动速度接近光速时，就必须考虑两者信号速度导致的时间偏差。日常生活中，我们的速度远远小于光速，比如车速100公里小时，这只是光速的千万分之一，不足为虑。地球卫星的轨道速度如10公里秒，这是光速的十万分之三。

因此轨道卫星的GPS计时系统在长期运行时要考虑相对论效应。以上就是四维时空引入的理由，那就是参考系统彼此联络信号光速的考虑。这里光线运动和自由粒子仍然是直线，所以时空是平直的。

随后爱因斯坦便开始考虑在引力场中的运动描述，而星体万有引力将带来加速运动，这将与匀速运动的狭义相对论时空变换完全不同，那里的观测者彼此匀速运动。直到1915年，在数学家格罗斯曼和希尔伯特的帮助下，整合了狭义相对论和牛顿万有引力定律于一体。

将引力场“力”的概念描述描述成时空弯曲，即光线在引力场运动走测地线，这好比地球表面的大圆。在地面，我们的经验告诉自己走路是直线，假如你的路延长20公里，可能会发现你自己的路向下弯曲了，因为地球是圆的。这在欧洲地中海航海史上，人们发现远方的船是慢慢地逐步跳下我们的视线。

这说明大海水面在大尺度是球面。但是在小范围，球面近视看成平面没有问题。同样的道理，在小的区域，引力造成的时空弯曲不明显，所以平直时空是完美近似。

当引力场较强，观测区域变大时，弯曲的效应就得考虑，否则误差太大。举例类比，在北京市区旅行，你不要考虑地面弯曲问题；但是北京到海南岛的大尺度旅行，纬度引起的地面弯曲就值得考虑了。所以在引力场下，狭义相对论（SR）+牛顿引力理论，变成了广义相对论（GR）。

当引力场极其微弱时，GR回归SR；当运动速度较慢时，GR回到牛顿引力理论。因此广义相对论是以往理论成就的登峰造极，它不违反传统的低速弱引力的实验事实。

换言之，狭义相对论和牛顿引力定律仅仅是爱因斯坦广义相对论的近似情况。那么，广义相对论的独特新结论和预言将是什么情况？

炮弹在引力场下走抛物线，这是引力场造成的，即弯曲时空轨道运动的表现。如果没有引力场，或者沿着地心径向运动，那么炮弹走直线了。显然，牛顿苹果的下落属于后者的地心指向运动情况。

就此，爱因斯坦广义相对论提出了三个可以验证的实验，并在其后由天文学家和物理学家实现了验证。这就是引力红移，光线偏折和水星近日点进动。后来又增加了第四个验证，即雷达回波的时间延迟。