《相对论》读书笔记

《相对论》读书笔记

　　终于看完了相对论，大部分都懂了，其中有些部分需要用到高等代数和很复杂的数学公式推理，弄得我头晕晕的。在天文物理学方面我的局限性很大，因为我所感兴趣的大多为纯理论化的东西，处在学科前沿，甚至部分尚存在争议，想真正将其弄懂并提出猜想必须有很深的相关知识积淀，我的造诣显然不怎么地。这类东西不是想想就行的，即便是猜想，也得有一定的理论依据可循，不过我仍想阐述一下我幼稚的观点。

　　爱因斯坦用两个坐标系论证了光速不变定理，过程严谨，推理中没有疏漏，但得出的结果我还是很难理解。假设一个物体A以光速前进，难道一束光对它来说仍是以光速前进？速度是相对的，物体必然是相对于另一个物体B以光速运动。我们再假设上述那束光从物体B上发出，就得到一个矛盾的推理结果。光束与物体A相对于B来说皆以光速运行，以此来比较可得出光束与物体A相对静止（两者速度方向相同），但是爱因斯坦却证明出了光速不变定理，与光束和物体A相对静止矛盾。（本来是自己的疑问，不过在之后的推论中解决了，我没考虑到光速的特殊性，具体在后边详述）

　　除了光速不变定理外，我对“双子悖论”中爱因斯坦赞同的第一种假设也有异议。在距离的相对性上，根据洛伦兹的理解，物体在运动方向上的密度会因长度缩短而增大，这样对于一个透明物体来说就会存在双折射现象，但实验否定了这一结论。爱因斯坦的狭义相对论则认为这种那个长度缩短和时间变慢都是由于测量者处于不同的参照系引起的，并不是实际意义上的缩短和变慢。在此我是认同爱因斯坦的说法的，即绝对时间和绝对长度不因速度而改变（这是不完全的表达，前提是空间未发生扭曲，我认为当物体速度达到一定程度时会扭曲空间，这点后面会谈到）。回过头来我们再看“双子悖论”，“双子悖论”最初是作为反对相对论的一个证据提出的。一位太空旅行者，如果以地球为参照系，由于高速飞行其时间流逝应当比地球上慢一些，他返回地球是应该比留在地球上的兄弟年轻。但是如果以飞船为参照系，那么出于同样的理由，得到的结论却是他比兄弟年老。爱因斯坦本人认为前一种推论是对的。这主要是由于飞船返航时的加速度以及飞船和地球上的引力场差所导致的（这里也有一个关于参照系的选取问题，在关于飞船不适合作参照系的附注中会详细提到）。然而当我们把相对论拿出来时，“双子悖论”这个推理本身就是错误的。当宇航员在高速飞行时，他处于另一参照系内，以我们的参照系去观察他，自然觉得他的时间流速比我们慢，反之亦然（附注1）。在此过程中，我必须要申明一点，看到的未必是真的。这里我们看到的就是一个假象，就像电影中的慢动作，我们看到演员做一个动作需要五秒，感觉时间流逝很慢，事实上他只用了不到一秒或更少。这是从大众直观的认识上来解释，实际上这种认识方法本身就不正确，往往偏离事实、真相。爱因斯坦在相对论中通过洛伦兹变换导出了速度——时间方程，排除了视觉等直观感知上的错觉。然而正如爱因斯坦所说，时间变慢是由于测量者处于不同的参照系而改变的，上述现象就像我们和宇航员都以分钟来计时，但他所在的参照系中一分钟在绝对时间上却与我们的两分钟相等（附注2）。当宇航员返航后，无论先前两者所在参照系有何不同，宇航员又回到了我们的参照系之内，他与他的兄弟应该仍是同一年龄，而不是谁比谁老。

　　接下来谈第三点，我对时间、空间、速度、质量的相关看法。首先要提到人们对时间倒流的错误认识，许多人以为如果以超光速运动，我们就能使时间倒流，让往事历历在目。这是因为我们赶上了过去发出的光线，但是即使我们以两倍光速运动，想要看到一秒钟前发生的事件，也必须追出60万千米。其清晰度相当于我们在不动的情况下看到60万千米之外的景象，并不可能历历在目。看不看得清是次要问题，关键在于这根本就不是时间倒流。就如把今天的生活拍下来第二天看一般，你不能说你回到了昨天（后面会具体谈到我眼中的时光倒流）。之前在第二段开头提到了时间和长度因参照系的不同而改变，以及绝对时间和绝对长度不因速度而变化，是以空间不被扭曲为前提的。当物体的速度、温度、质量（和密度也有一定的关系，但密度不是决定性因素）达到一定程度后，会引起空间扭曲（文中的空间扭曲指的是较大、较明显的），此时这一区域的时间、物体的体积、密度便会受到影响而改变。在我的体系中，空间与时间是种类似于河水与河床的关系，即时间依靠空间而表现，从其上流淌而过。当某处空间因扭曲而变形时，单位长度的时间流经此处空间时所需时间就会变长，结果表现为时间流逝变慢（这里对闵可夫斯基四维空间的反对已初露端倪）。想要令空间扭曲需要很大的能量，空间的还原力量很大，处于空间扭曲中的物体如果自身承受力不够，就会被空间扭曲压碎，甚至湮灭。原本我对第三点的想法缺失一个很重要的中间理论，相对论恰好提供了这个链接。狭义相对论导致的具有普遍性的最重要的结果是关于质量的概念，他将能量守恒定律和质量守恒定律联系在了一起，证明若物体速度不变，当能量增加时其惯性质量也随之增加，即引力质量随之增加（附注3）。反推这个理论，若将一物体速度变慢而不减少其所含能量，此物体质量就会增加。物体质量增加它周围的引力场随之变强，增强到一定程度后便如黑洞一般使周围空间扭曲，甚至塌陷（附注4）。空间有恢复的弹性系数不是弹簧那般为一个常数，他是随空间扭曲程度增加不断变大的。因此相对来说速度较低时空间对物体的阻碍力（附注5）很小，可以忽略不计。一旦他的速度达到一定程度，空间阻碍力就会显现出来，当速度接近光速时，想要再增加一点点速度所需的能量也是极其恐怖的。这也从侧面证明了光速是我们这个宇宙的极限速度。

　　速度时间方程揭示了一个很有趣的现象，假设物体A加速度恒定，初速度为零，我们将会观察到以下一幕：A速度逐渐增大，越来越快，但一会后我们就觉得它加速度变小了，接着A速度变小，越来越慢，最后居然静止不动了。此时A的速度达到了光速，周围的时间已停止流动，空间扭曲达到极限。这时如果A速度再增加一点，它将破开我们这个三维空间，开始时间倒流或者进行空间跳跃。当然，在绝对静止的时间下让A速度继续增加似乎是不可能的，通过这种方法时光倒流近乎于不可实现。由此延伸，想通过已开辟好的可利用虫洞如黑洞进行空间跳跃也很难实现，因为我们会在虫洞口达到光速，永远停留在那一刻。由此来看，除非我们做出新的突破，否则即使在能量供应上不存在问题，我们也无法进行时光倒流或空间跳跃，即使时间静止也只是个无限接近的极限。自然界中的光从一定程度上打破了这个规则，它的速度不受时间的影响。尽管它以极限速度前进，但没有出现时间静止现象，结合相对论中光速不变的推理，我们得出一个令人很难接受的结果：光自己没有被时间禁锢，却禁锢了整个世界。在时间停止时，速度很大的物体和速度很小的物体没有任何区别，都可以当做静止的存在。因此不论选谁作参照系，光速都是恒定的（如果有人还要提出速度不是过程量来反对的话，那是他智商问题）。于是我们就把速度时间方程和光速不变定理联系在一起了，同时也解释了光这个反常现象的存在。

　　谈到这里，不得不提一下时间倒流。之前已纠正过人们的错误认识，时间倒流不是画面重现，而是真正的逆转时间，回到过去。我们突破空间后，在时间隧道中跟据速度和保持超光速的时间决定我们回到过去的哪个时间段，当速度降至光速时会被踢出时间隧道，回到过去。时间倒流的真正情况我不是很确定，只能给出三个推测：（一）在过去我们的可移动范围不超过一步的距离，即我们的空间坐标基本上是固定的，过去的一切对我们而言全是虚幻的存在，我们能够看到，却不能改变任何物品。由此产生一个问题，如果进入时间隧道的地点不恰当，我们即使回到过去也得不到想要的信息，需要不断的来回跳跃以调整空间坐标，将耗费极大的能量。这是在时间跳跃初级阶段所产生的问题，当技术成熟后，问题将被解决。比如我们利用第四维进行移动。同样是移动一点距离，将其放到其他三维上时，效果无疑是巨大的。另外，技术进一步发展后应该也可以将时间隧道与空间隧道结合起来，在时间跳跃的同时进行空间跳跃，从而保证出现在理想的地点； （二） 类似于终结者那般回到过去并改变一些东西从而影响未来。这个可能性极小，因为那样会产生很多问题与变数。首先蝴蝶效应在这里会极为明显，未来的人回到过去做任何微不足道的事都可能是未来发生翻天覆地的变化，时间回溯越久，效应越明显。其次，一个人回到过去后改变了他想改变的东西，这个“过去”会以另一个轨迹发展下去，他出发的“未来”也随之改变。但是如果之后有人回到“过去”“未来”之间的一个时间点，这个人看到的过去是改变前的还是改变后的呢？（三）与第二个类似，区别在于过去的世界和原来的世界是完全独立的，在过去做任何事都不会影响你出发的那个未来。同样，这个推测的可能性也很小，有一个无限世界问题。一小段时间可以分成无数个时间点，每个时间点对应一个世界且相互独立，由此可得到世界的个数为无穷的无穷次方，明显不大可能。

　　三个猜想存在一个共同的问题我不能解决——回到现在问题。如何才能回到现在呢？那个现在才是真正的现在？回到现在的方法暂不考虑，假设技术问题已被解决，则存在两种情况：一、回到过去后，原来的世界对他而言时间完全静止，再次回到现在，时间和他离去时一样。此类情况中，时间隧道的尽头就是他跃入的时间点；二、回到过去后，他原来的世界时间继续流逝，此刻的问题在于他该回到那个时间点。是他跃入时间隧道的那个还是现在那个世界所在的时间点？后两种猜想对此要求不严，在后两种猜想中，一个人不论在哪个时间点，世界都是真实可互动的，第一种猜想则不同，如果不能选择正确的时间点，他就不能回到真实的世界。这个问题我想了很久总是摸不着头绪。

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