引力为为什么会使空间扭曲?

引力为为什么会使空间扭曲?

激光就是光,速度是每秒30万公里,而不是31万KM/秒 时间与空间看上去当然是不同的,这依赖于你是在地球上还 是在宇宙空间里.爱因斯坦的广义相对论将引力描述为时空几何 结构的扭曲.这种说法的一个推论,就是始终沿可能的最短路径 穿越时空的光线,在大质量物体附近会弯曲.这在1919年日食期 间观测掠过太阳附近的星光被太阳的质量所弯曲而得到证明.这 一观测使爱因斯坦的理论最终得到接受,并为他赢得了世界性的 声誉. 但按照基本力学原理,如果光线偏转,它会被加速.这是否 将使光速发生变化,动摇相对论的根本原则?在某种意义上是对 的：我们从地球上观察到的光速,在它从太阳附近经过时确实会 变化.然而相对论和光速不变原理不能被抛弃. 引力的恶作剧——眼见不为实 爱因斯坦认识到,引力是无法自由运动的观察者们经历的某 种幻象.想象从一堵墙上跳下.在自由落体的过程中,你不会感 动周围的引力作用,但任何在地面上瞧着你落下来的人,都会解 释说你的运动是引力的作用所致.同样的说法对空间站中的宇航 员也适用：他们被提及时总是说成时处在“零重力”环境里,但 从地球的表面往上看,我们会用引力吸引来解释他们绕地球的轨 道运动.所以当我们从地球上观察时,经过太阳附近的光线看上 去弯曲、加速了,但如果我们自由落体地落向太阳,光线看上去 会以恒速沿直线经过我们身边.对任何自由落体的观察者来说, 经过他的光线都以恒定速度运动.不过,它在掠过扭曲其附近时 空的大质量物体时,看上去会弯曲和加速. 相对论另一个奇怪的推论是,没有任何物体能加速到光速. 不和我们建造动力多么强劲的火箭飞船,它们也永远不能到达光 速.这是因为物体运动得越快,其动能越大,惯性也越大.爱因 斯坦在他的E=mc2公式中指出,能量和质量或者说惯性相关联. 因此一个物体的动能增加,它的惯性也增加,从而越来越难继续 加速.这是一个收益递减原理：你对一个物体做的功越多,它就 变得越重,加速的效果也越微弱. 把单一电子加速到光速,就需要无限的能量,粒子物理学家 们对这一限制深有感触.质子进入美国伊利诺伊州Batawia费米 实验室的Tevatron加速器时,它们的速度已经达到光速的99%. 加速器的最后阶段使质子的能量提高了100倍,但速度仅增加到 光速的99.99995%,与它们进入加速器的速度相比,提高不足1%. 不过,一直与相对论有冲突的量子理论看上去是允许物质以 大于光速的速度运动的.在20世纪20年代,量子论显示一个系统 相隔遥远的不同组成部分能够瞬时联系.例如,当一个高能光子 衰变成两个低能光子时,它们的状态（例如,是顺时针或逆时针 自旋）是不定的,直到对它们中间的某一个作出观察才确定下来. 另一个粒子看上去感知到它的同伴被进行了一次观测,结果是任 何对第二个粒子的测量总会得到与对第一个粒子的测量相一致的 结果.这样远距离的瞬时联系,看起来像是一个讯息以无限大的 速度在粒子之间传递了.它被爱因斯坦称为“幽灵式的超距作 用”,听起来难以置信,但却是真实的现象. 1993年,加利福尼亚大学伯克利分校的Raymond Chiao表明, 量子理论还允许另一种超光速旅行存在：量子隧穿.想象朝一堵 坚实的墙上踢一个足球,牛顿力学预言它会被弹会,但量子力学 预言它还有极小的可能出现在墙的另一面.考虑这种情况的一种 途径,是想象它能“借”到足够的能量穿越墙壁,并在到达另一 面之后立即将能量归还.这并不违反物理定律,因为最终能量、 动量和其它属性都得到了保存.德国物理学家维纳·海森堡的测 不准原理表明,在一个系统中,总有某些属性——在这一情况中 是能量——的值是不能确定的,因此量子物理学原理允许系统利 用这种不确定性,短时间借到一些额外的能量.在隧穿的情况中, 粒子从障碍物的一面消失又从另一面重现的需要几乎可以忽略不 计,障碍物可以任意的厚——不过随着厚度增加,粒子隧穿的几 率也就迅速地朝零的方向递减. Chiao通过测量可见光光子通过特定过滤器的隧穿时间,证 明了隧穿“超光速”隧穿效应的存在.为此,他让这些光子与在 相似时间内穿过真空的光子进行比较.结果隧穿光子先到达探测 器,Chiao证明它们穿越过滤器的速度可能为光速的1.7倍. 1994年,维也纳技术大学的Ferenc Kraus表明,隧穿时间有 一个不依赖于障碍物厚度的上限,这表示光子隧穿障碍物的时间 没有上限.德国科隆大学的Gunter Nimtz也用微波实现了这种 “超光速”.他甚至把莫扎特第40号交响曲调制在信号上,以 4.7倍光速的速度将它传输通过12厘米厚的障碍物.