相对论在“畅想未来”的应用

黑洞是宇宙中最强大、最神奇的天体，它们的引力集中强度达到“登峰造极”的程度，宇宙中运动速度最快的光不能逃脱黑洞的吸附。广义相对论成为天文学家发现黑洞最有力的理论工具，黑洞天体成了科幻作家无穷想象力和灵感的源泉，他们在作品中构思了一幅幅穿越黑洞的画面。按照牛顿的万有引力理论，太阳影响地球运动的轨道，太阳拥有比地球大得多的质量，地球受到太阳引力的主宰，它不可能自由地运动。按照爱因斯坦的广义相对论，地球处于自由的运动状态，运动轨迹相似于一条直线，但地球在弯曲的时空中运动，运动轨迹实际上相似于一条曲线，太阳质量弯曲了地球运动轨迹的时空。

爱因斯坦在狭义相对论中提出了光速不变原理，光速对每一个观测者而言都保持不变，而不同观测者经历的时空变化却有不同。空间有三个维度——长度、宽度和深度，可以将时间看成是空间的第四个维度。牛顿持有时空分离的时空观，爱因斯坦则认为，空间和时间在交互作用中形成了统一的时空框架。1905年，爱因斯坦在狭义相对论中提出了整体性的“新时空观”。光速不变原理经过了物理学家的实验证实，爱因斯坦以光速不变原理作为了狭义相对论的基础，这意味着牛顿的万有引力定律违背了宇宙速度有限性的法则。现代物理学家似乎发现了一些突破宇宙速度有限性法则的现象，他们开始讨论“新牛顿物理学”的意义。

如果引力造成了太阳和地球之间的相互吸引，那么太阳位置的移动将引起地球轨道的瞬时变化，但引力移动的速度超过了光速，这与爱因斯坦的狭义相对论产生矛盾，爱因斯坦最终放弃了牛顿引力瞬时传递的可能，引力在弯曲时空的传递需要时间，引力的传递速度为光速。假如太阳在某一天发生了爆炸，那么地球将在8分钟之后才能收到太阳引力消失的信息。在失去太阳的引力后，地球将会沿圆周运动的切线方向飞出太阳系。广义相对论的各项预测在现代物理实验和天文观测中多次得到了证实，比如：牛顿的引力理论不能解释水星轨道的“摇摆”，而爱因斯坦的引力理论完美地解释了水星的“进动”。

电影《星际穿越》诠释了爱因斯坦的引力理论，比如：女儿已经老去，父亲却还年轻，“黑发人送白发人”的场景令人唏嘘不已，爱因斯坦描述的引力场产生“时间稀释”效应，女儿在引力相对小的地球上生活，时间流逝得更快，父亲在黑洞的强引力场和其它星球“走了一趟”，时间流逝得更慢，出现了奇异的父女“年龄倒挂”现象。从广义相对论可以推测黑洞天体的存在，曾经声称自己为“不可知论者”的爱因斯坦却十分怀疑黑洞概念的现实性。除非等到黑洞“自然蒸发”的那一天，否则被黑洞幽闭的物质和信息永无“重见天日”的可能，好像孙悟空被幽闭在“深山老林”的底层，永无“出头”的可能，除了发生一次山崩地裂的大事件，孙悟空“诞生记”包含了现代物理学“夸克幽闭”和“黑洞幽闭”思想。

从时空弯曲和黑洞概念引发了星际飞行的设想，电影《星际迷航》以超越梦想的太空飞行为内容的主题，物理学家被邀请担任导演组的科学顾问，他们协助导演拍摄了电视剧和电影一类的科幻作品系列，其中包括了《星球大战》4.0版。爱因斯坦擅长描述时空弯曲的概念，而电影艺术家对时空弯曲旅行充满了好奇，他们在科幻影片中将各种作“弯曲飞行”的航天器搬上屏幕，科幻影片中的太空飞行器在弯曲折叠的“时空泡泡”中飞行，飞行时速超过了光速，但实际使用的飞行器在任何时刻都不可能超越光速。时空弯曲的折叠方式使得太空飞行的距离大为缩短。

悉尼大学的一位天体物理学教授声称，高速的星际飞行或以“弯曲飞行”著称的超光速也许可能，从广义相对论推导了超时空飞行，但人们目前不具备弯曲飞行的技术。在悉尼举行的一次国家科学周访谈节目中，刘易斯教授解释说，假如从爱因斯坦的场方程寻找答案，那么人们将发现时空可以弯曲，在弯曲时空可能实现任何人们需要的飞行速度。存在时空飞行的理论可行性，为什么目前造不出一台“弯曲引擎”的机器？在宇宙物质中也许存在制造弯曲飞行器的材料，但人们没有找到它们。在宇宙中也许存在虫洞，存在穿越“时空纤维”的捷径，强大引力场创造了扭曲和弯折的“时空隧道”，但人们没有找到隧道的入口。以实验方法创造一个连接未来世界的虫洞，这是一种遥不可及的设想。

物理学家在爱因斯坦之前已提出了狭义相对论的若干原理，而爱因斯坦对狭义相对论进行了创建性的最好描述，他以狭义相对论为基础推导了质能方程式，人们从方程式发现，原子物质储存了巨大能量，以质能方程式为理论基础，科学家设法获取原子的能量，巨大的核能可以转换为有巨大社会需要的电能，核能发电厂产生了可再生能源，不会产生大气污染和温室气体效应，目前的世界上只有15%的电能通过核电厂获取，法国、立陶宛和斯洛伐克的电能需求几乎百分之百依赖核电厂，德国的反差很大，德国政府正在改变能源利用的途径，制定了大规模的核能开发计划，英国的核能比例达到18%，还有很大的提升空间，核能利用对中国经济发展和环境保护的意义重大。核能利用的最大担忧是如何处理核废料，核电厂不会急剧地改变周围环境，但放射性核废料有潜在性危害的副作用，可能对人体和环境造成不利影响。

如果核废料得不到有效处理，那么将会形成潜在的灾难，如果核安全得不到切实保障，那么核灾难在很长的时间都难以消除。例如：切尔诺贝利核电厂爆炸和日本福岛核电站的泄漏事故，1986年，在乌克兰的切尔诺贝利核电厂发生了爆炸，附近的10万居民迁离了家园，爆炸之后形成的放射性尘埃像雨点一样飘落到苏格兰和爱尔兰。目前正在实验和开发的核聚变技术能够克服核裂变技术的固有缺陷，通过核聚变反应产生了更加安全、成本更低、能量更大的核能，以核聚变技术为基础的核电厂代表了未来新的核能发电方式，关系了气候变化的人类未来。晚年的爱因斯坦一直呼吁对核能的和平利用，科学家正在夜以继日地研发核聚变技术，以实现人类和平、安全、高效利用核能的目标。

编译：2015-12-1