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本文作者：今日头条
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浅释相对论常见误解
相对论是每位天文爱好者都有所了解的学科，也是天文工作者必备的工具之一。作为物理学中一颗璀璨的明珠，相对论一直以来备受推崇。狭义相对论中神奇的尺缩效应、钟慢效应也为爱好者们津津乐道。但由于大部分人并没有认真地、系统地去学习过相对论，加上科普书常常写得模棱两可，含糊不清，所以很多人一直以来对相对论中一些定理定义的理解较为模糊，以致得出一些看似“正确”的推论。而本篇文章里，小编就为大家对相对论的一些常见错误理解提个醒。
爱因斯坦和洛伦兹
1
超光速会导致时间倒流？
对于一些科幻迷来说，科幻电影和科幻小说是学习生活中必不可少的，然而在一些电影或小说里经常存在这样的情景，一个人乘坐超光速的时光机器回到了过去，于是不少人理所应当地觉得超光速时间会倒流。
但是实际上，大多数人所理解的时光倒流，实际上是一种是对“尺缩效应”和“钟慢效应”错误理解，这些人大概是按照以下的逻辑思维来思考的：物体运动速度越快时间流逝得越慢，当物体运动速度到达光速时，时间便停止流逝；当物体速度超过光速时，时光倒流。乍的一听貌似这番推导也不无道理，但是仔细想想，如果时间倒流了，那么时间就会变成负值（以变化的那一瞬间为时间参考零点），这与狭义相对论理论是相悖的。在狭义相对论理论体系下，超光速时间倒流的推论是错误的。
而在广义相对论观点下，是否能建成时光机器也是被广泛讨论的问题。大物理学家史蒂芬霍金对此提出了一个“时序保护猜想”，而我国的刘辽先生则关于这点提出了一个可能的假设，使得建设时光机器变得可行。
虫洞的想象图
另外，单就指超光速而言，目前尚未有任何能传递信息的超光速现象被发现。常见的“伪超光速”或者“视觉超光速”要么不传递任何信息，要么并非真正的运动。大体可分为一下几类：
（1）想当然的超光速
例如，假设有一足够长的刚体，在一侧拨动它，那么它的线速度就会超过光速。类似的还有光斑或者影子。
要知道，对于刚体而言，首先这就是一个理想模型，在现实世界中是不存在理想刚体的。要想使得物体运动起来，作用力需要沿着物体中的粒子传递。而这个传递的速度最快也是光速。所以说，如果真能够完成这个实验，那么这个“刚体”会逐渐变弯。
而对于影子和光斑也类似。更何况，新的“影子”或“光斑”只不过是视觉效果而非真的运动。给我一个足够大的荧屏，我可以让一个粒子在这一帧和下一帧的运动速度“看上去”超光速，但是这毫无意义。
（2）超过了介质中的光速
典型例子是切伦科夫实验中，有些粒子的确运动速度会超过介质中的光速。但是这是没有意义的，我们所说的超光速是要超过真空中的光速。
（3）虚粒子
虚粒子只是一个数学上的工具而已，并非实际粒子。
（4）卡西米尔效应
卡西米尔效应是指，当两块不带电荷的导体板距离非常接近时，它们之间会产生非常微弱，但仍可测量的力。卡什米尔效应是由真空能引起的。计算表明，在两块金属板之间横向运动的光子的速度必须略大于光速，才会出现这种效应。而在特定的宇宙学条件下，这种效应会显著得多。但进一步的理论研究表明不可能利用这种效应进行超光速通信。
（5）宇宙的膨胀与星系的运动
根据哈勃定律，足够远的星系的的退行速度可以超过光速，但是如果真足够远了就无法观测到。若想观测这一现象，则必须是观测者观测两个星系的相对运动。更何况，这并非真正的运动，而是空间的膨胀而已。和我们相对运动的星系的视速度可能超光速，但这其实也是经典力学的误用，在这个过程中，我们没有修正从星系到地球的光行差。
相对论中常用的时空图
2
相对论看似高端，但离实际生活较远，缺少实验验证，这个理论只是理论，没实际用途？
相对论早已被实验所验证，比如近期的引力波，过去的日全食引力透镜实验等；而狭义相对论的验证实验大体可分为六种：光速不变原理的实验检验；相对性原理的实验检验；光子静止质量上限的实验；时间膨胀实验；相对论力学实验；缓慢运动媒质的电磁现象实验。
另一方面，对于相对论理论的应用早已渗透我们生活的方方面面，GPS全球定位系统（X,Y,Z,t定位）中时间坐标就可能因为延迟0.000073s（光速）而产生很大误差、另一个著名的应用莫过于质能方程在核技术核科学中的应用了。
另外，相对论理论在天体物理的相当多的领域中的研究中起着举足轻重的作用，例如，没有相对论就没有今天的现代宇宙学，更不用说致密星研究了。
美丽的爱因斯坦场方程
3
相对论说存在平行世界？
平行世界经常出现在各种科幻作品中，即存在另一个与我们现在所处的宇宙相互平行、互不干扰的宇宙，在这个宇宙中包括了另一种可能性，可能你在我们的宇宙中未完成的事情在另一个宇宙中完成了。平行世界是指多元宇宙所包含的各个小宇宙，多元宇宙是各种可能存在的宇宙的集合，包含了一切可能的空间、时间、物质、能量以及物理法则和物理常数。从广义上讲：平行世界就是宇宙在高一维度的空间中多出来的方向上有差值的平行时空。
但平行世界并不是从相对论提出来的，实际上它的雏形来自量子力学，来自不确定性关系。上世纪中叶时物理学家在观察量子时发现量子状态都不相同，而由于宇宙空间中所有量子都由量子组成，因此科学家推测宇宙也可能并不止一个，而存在多个类似的宇宙。目前与其说它是一个科学假设，不如说它是科幻小说常见的世界观设定。如果大家感兴趣还可以在微信里搜索一下陈学雷研究员近期在“知识分子”公众号上发表的《宇宙是唯一的吗？》。
相对论是一个时空理论
4
宇宙大爆炸之前奇点体积无穷小？
历史上，首次提出大爆炸理论的学者是比利时的天文学家和宇宙学家勒梅特。在1929年，勒梅特提出这一理论的两年后，天文学家哈勃根据观测数据大胆地提出了哈勃定律：星系的红移量与星系的距离成正比，由此验证了星系都在相互远离的宇宙膨胀假说。
而大爆炸理论的正式提出则是在1946年伽莫夫和阿尔法、贝塔合作的论文中。宇宙大爆炸理论认为宇宙是由一个致密炽热的奇（二声，同“齐”）点于137亿年前一次爆炸后迅速膨胀形成的，爆炸之初，物质只能以质子、中子、电子、光子和中微子等基本粒子的形态存在，爆炸之后温度和密度很快下降，基本粒子组合成原子、分子等，而后进一步复合成各种物质，出现了星系等。
大爆炸的提出基于两个基本假设：物理定律的普适性和宇宙学原理，宇宙学原理即在大尺度下的宇宙是均匀且各向同性的。有兴趣的同学可以阅读北京大学俞允强教授的《热大爆炸宇宙学》深入了解这一话题。
宇宙奇点这个词会让大家误认为奇点的体积是无穷小的。实际上宇宙大爆炸是全空间的爆炸，而宇宙奇点的体积和我们所在宇宙的纯空间曲率有关。如果纯空间曲率为正，那么宇宙奇点的体积趋于零，反之则有可能无穷大。
宇宙的命运
5
一切都是相对的？
实际上，爱因斯坦、洛伦兹等人也并不认为“相对论”是个非常合适的名字。认为一切都是相对的明显是望文生义了。这就好比公孙龙先生并不是一条龙。
一切都是相对的？爱因斯坦：我没说！
6
引力效应是空间弯曲？
我们知道，狭义相对论以闵氏时空为背景时空，广义相对论则是以弯曲时空为背景时空的，在广义相对论观点下，我们生活在四维时空里。注意是时空弯曲不是空间弯曲。在这个观点下，万有引力的产生是由于物质的存在和一定的分布状况使时间空间性质变得不均匀，即所谓的弯曲时空，也就是说，我们常用的欧氏几何只不过是一种局部近似而已，而这个局部的平直近似是建立在一种非欧几何——黎曼几何之上的。
黎曼几何和欧氏几何的差距就是度规不一样。换句话说，定义一种线元，就可以定义一种几何。在这里，度规是个二阶张量，也就是4×4的矩阵。爱因斯坦在此基础上建立了引力场理论，物质的分布和时空的弯曲的关系可以用爱因斯坦场方程描述。而描述时空的弯曲程度的张量称之为曲率张量，又称黎曼张量。物体的相对质量越大，则由此造成的时空弯曲越明显，曲率越大，即产生的引力场也越强。
当引力不可忽略时，时空背景不再是平直时空而是某种弯曲时空，也就是说，引力效应并非空间的弯曲，而是4维时空的弯曲，时间和空间是不可割裂的。
实际上，即使在我们的太阳系这么大的尺度下，使用平直时空的观点仍不会造成太多误差，这时候，行星等天体绕太阳的公转规律就可以用经典动力学求解。
科普书中常见的图片
撰文： 叶君耀
配图：王纪尧 | 校对：李鑫 安东升
编排：王纪尧
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发表于 2018-4-23 22:57:04
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