天上一日地上十年，你也可以星际穿越！

【编语】

《星际穿越》，是否也让你对浩渺的宇宙浮想联翩，为人类的未来预设可能，对科学的博大心怀敬畏？也许你并不是一位物理学家，但你依然有对科学知晓的权利。虽然此刻，黑洞离你很遥远，但引力就在你周围，时间正在与你同行，我们甚至可以坐下来聊一聊，作为三维生物的我们，是否有可能突破四维空间，迈向五维世界？！

他们也曾仰望天空，企盼收获，但肆虐的风沙正在吞噬着人类美丽的家园。小女儿墨菲的房间里，总是有“幽灵”，但最后，一项伟大的星际穿越行动终于告诉了她，所谓“幽灵”原来是……

是的，大多数人都会被《星际穿越》的剧情深深吸引，在探索的惊险与爱的磁场共振时，作为观众的你不由得握紧了双手。而这场穿越中出现的众多专业词汇，是真实的还是假想的？你懂吗？

首先要说的，是“人造引力“……

还记得这个场景吗？在这个场景里，人类设置了一个与男主角Cooper的故乡非常相似的环境，我们发现这个环境与原生环境的区别是：变成了筒状。为什么会是这样的形状呢？

请听我说：

因为这个环境处于太空中，一般情况下人在太空中处于失重的状态，那么人该如何才能够站在地面上进行日常的活动和正常的生活呢？那便是通过人为的方式来产生一种引力。

大家都应该用过洗衣机，洗衣机在旋转的时候衣服会贴在滚筒的表面，这是由于惯性离心力导致。提到离心力大家都应该比较有感触，惯性离心力是一个专业术语，因为离心力是一种虚拟的力，并不是真实存在的，而是由于物体处于非惯性系中产生的，所以我们称为惯性离心力。在太空中如果飞船旋转起来，处于其中的人将会感受到这种惯性离心力，所以能够站在筒状结构的内表面。当转速适中的时候，就可以产生一个g的惯性加速度，这样的感觉和站在地面上是相同的，我们称之为人造引力。

再看“动钟缓效应”……

动钟缓效应，影片中的Cooper已经给女儿做了描述，他说：在飞船接近光速航行的时候，女儿看到他的时钟将会变慢，所以当他回来的时候，他应该和女儿一样的年纪或者更年轻。他所提到的这种运动的时钟变慢的效应，是基于狭义相对论所给出的一个结论。

怎么来理解这种效应呢？请看下图：

我们将地面上的小女孩我们看作是Cooper的女儿，车上的男生我们就看作是Cooper，那么当飞船开动的时候，女儿和Cooper的时间会变化吗？

我们借助于两个不同的参考系来进行分析。一个参考系是Cooper所处的参考系，另外一个参考系是地面参考系。所谓参考系，就是观测者所处的观察环境，在不同的运动物体中，观察者的视角也不同。

对于小车上的观测者来说，Cooper看到自己的时钟间隔与一束光在B和M之间来回反射的时间相对应。

对于女孩儿来说，这束光所走的时间还是不是相同的呢？我们知道，由于飞船相对女孩在运动，所以在她看来，飞船上的光不再是垂直向上垂直向下进行反射了，而是变成一个三角形的路径。

女孩儿看这束光显然比飞船上的观测者看到的同样一束光要多走一段路程。狭义相对论有两个基本假设，一是光速不变，二是所有惯性系中的物理规律都相同。

由于在所有参考系中光的速度都一样，而不同观测者看到光的路程不同，所以小女孩看到这束光所走的时间显然要比飞船上观测者看到同样一束光所走的时间长，因而Cooper的女儿看到飞船上的时钟也比Cooper本人看到这个钟的时钟要慢。这就是运动的时钟变缓效应。

当然，有很多朋友在想，如果飞船相对于Cooper的女儿发生运动，从而使女儿看到Cooper的时钟变慢了呢？但由于运动是相对的，反过来想，Cooper观察女儿的时候，女儿也相对Cooper发生了运动，那么女儿的时钟也将会变慢。这样Cooper回到地面的时候比女儿年轻，是不是因为动钟变慢的效应呢？我们所考虑的这个矛盾就叫爱因斯坦双生子佯谬。如果用狭义相对论来解释影片中的现象，我们也会产生迷惑。所以我们要提到第三个问题，就是引力红移与引力时间延迟效应。

什么是“引力红移与引力时间延迟效应”呢？

因为狭义相对论是关于惯性系之间的时空理论。也就是说，无论飞船的速度或是运动方向都不能发生变化，如果发生变化了，就脱离了狭义相对论的基本假设。我们实际的物理环境经常处于加速运动中，这些观测者所处的时空并不是惯性系，因此，事实上爱因斯坦双生子佯谬并不存在，因此，就产生了广义相对论。

为了解决加速变化的参照系的困难，爱因斯坦引入了等效原理这个基本假设，将加速参照系与引力对应起来。等效原理认为：在加速运动的参照系中，观测者所体验到的惯性加速度与站在地面上引力场产生的重力加速度是没有区别的。正如我们刚刚提到的人造引力，观测者没有办法区分出站在旋转飞船的内部感受到的人造引力或是站在地面上感受到的重力。通过这个基本假设，爱因斯坦将经典的牛顿万有引力定律包含在了狭义相对论的框架中，狭义相对论就扩展到了非惯性参照系中的相对论，这就是广义相对论。

广义相对论给出了引力红移等基本结论。在引力场中，比如太阳等星体发出的光由于引力的作用会发生红移，所谓红移就是这些光谱的频率降低，因为红色的光比蓝色紫色的光谱频率低，所以叫作红移。如果来看时间间隔的话，由于光的频率降低，所以时间间隔也增加，时钟变慢。所以在引力场中时间发生了变慢的效应，这就是引力时间延迟效应。

这个时间延迟效应是客观存在的，即使在地球上，靠近地面的位置和远离地面的位置，时钟频率也是不一样的，只是时间的变化非常小，但我们可以通过实验测得。

1965年，庞恩得和雷布卡通过实验发现,频率的减低同爱因斯坦所预言的完全一致，引力能使时间变慢的效应终于得到完全证实。

在经过这些引力场比较大的星体后，Cooper的时间相对他女儿的时间变慢了，所以他回到地球的时候，要比自己的女儿年轻很多。这就是古人所说的“天上一日地上十年”。（文/王雪黎）

（二马少年中国梦精神家园读书会综合整理，未完待续，明日敬请继续关注）

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