弯曲时空历险记（美国科学人中文版 2009年9月）

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弯曲时空历险记
在真空的彎曲時空中「游泳」與「滑翔」是有可能的！ 在真空的弯曲时空中「游泳」与「滑翔」是有可能的！ 這告訴我們，即使已經過了90個年頭，愛因斯坦的廣義相對論帶給人們的驚奇依舊不斷。 这告诉我们，即使已经过了90个年头，爱因斯坦的广义相对论带给人们的惊奇依旧不断。
撰文╱圭隆(Eduardo Gueron)撰文╱圭隆(Eduardo Gueron)
翻譯／林世昀翻译／林世昀

重點提要■ 在愛因斯坦的廣義相對論中，重力是由時空彎曲所造成的。重点提要■ 在爱因斯坦的广义相对论中，重力是由时空弯曲所造成的。 在愛因斯坦發展相對論90年後的今天，物理學家仍能在其中發現新的驚奇。在爱因斯坦发展相对论90年后的今天，物理学家仍能在其中发现新的惊奇。
■ 例如說，在彎曲的空間中，一個物體可以像是違抗物理定律似地在真空中「游動」，而無需推動任何物體，或被任何物體推動。 ■ 例如说，在弯曲的空间中，一个物体可以像是违抗物理定律似地在真空中「游动」，而无需推动任何物体，或被任何物体推动。
■ 彎曲時空還容許一種類似滑翔的效果：一個物體就算在真空中也可以自行減慢下墜的速度。 ■ 弯曲时空还容许一种类似滑翔的效果：一个物体就算在真空中也可以自行减慢下坠的速度。

物理學家伽莫夫（George Gamow）在1940年代寫了一系列著名的小說，敘述的是銀行小職員湯普金先生的奇妙歷險記。物理学家伽莫夫（George Gamow）在1940年代写了一系列著名的小说，叙述的是银行小职员汤普金先生的奇妙历险记。 在湯普金的夢境世界裡，日常生活中到處充滿著奇異的物理現象。在汤普金的梦境世界里，日常生活中到处充满着奇异的物理现象。 例如說，有個世界光速只有每小時15公里，於是你只要騎著腳踏車，就會看到愛因斯坦狹義相對論的古怪效應。例如说，有个世界光速只有每小时15公里，于是你只要骑着脚踏车，就会看到爱因斯坦狭义相对论的古怪效应。

不久之前我也遇見一位艾弗拉德先生（EM Everard），活像是湯普金的曾孫，兼具哲學家的氣質與工程師的特質。不久之前我也遇见一位艾弗拉德先生（EM Everard），活像是汤普金的曾孙，兼具哲学家的气质与工程师的特质。 他告訴我一件驚人的體驗，和最近才在愛因斯坦廣義相對論中發現的新面向有關（這等一下我會告訴你）。他告诉我一件惊人的体验，和最近才在爱因斯坦广义相对论中发现的新面向有关（这等一下我会告诉你）。 在他超凡的故事中，充斥著彎曲時空、半空中扭動轉身的貓、太空人在真空中以狗爬式脫困，以及其他可能會讓墳墓中的牛頓頭昏腦脹、困惑不已的東西。在他超凡的故事中，充斥着弯曲时空、半空中扭动转身的猫、太空人在真空中以狗爬式脱困，以及其他可能会让坟墓中的牛顿头昏脑胀、困惑不已的东西。

在彎曲時空中遇上大危機！在弯曲时空中遇上大危机！

在宇宙的深處，艾弗拉德到他的太空船外去修理一支故障的天線。在宇宙的深处，艾弗拉德到他的太空船外去修理一支故障的天线。 他注意到遠處星球的美麗星光看來有點扭曲，彷彿是透過厚厚的透鏡所觀察到的，並感覺到有股力量在輕扯他的全身。他注意到远处星球的美丽星光看来有点扭曲，仿佛是透过厚厚的透镜所观察到的，并感觉到有股力量在轻扯他的全身。 他大概猜到這是怎麼回事，便從多用途腰帶取下一支雷射筆和一罐刮鬍膏，接著啟動噴射背包，開始檢驗他的想法。他大概猜到这是怎么回事，便从多用途腰带取下一支雷射笔和一罐刮胡膏，接着启动喷射背包，开始检验他的想法。

他沿著雷射光束直線飛行了100公尺，接著左轉往前行進了數十公尺，最後再轉回一開始的出發點，沿途用刮鬍膏的泡泡畫了一個大三角形，活像是在空中作畫。他沿着雷射光束直线飞行了100公尺，接着左转往前行进了数十公尺，最后再转回一开始的出发点，沿途用刮胡膏的泡泡画了一个大三角形，活像是在空中作画。 然後他用量角器測量三角形的三個頂角，加起來，發現總和大於180度。然后他用量角器测量三角形的三个顶角，加起来，发现总和大于180度。

對於這個明顯違背幾何定律的事實，艾弗拉德完全沒有不知所措，反而喜孜孜地想起童年時關於非歐幾何的惡作劇：他在父母書房的地球儀上畫了一個三角形，它的三頂角之和也大於180度。对于这个明显违背几何定律的事实，艾弗拉德完全没有不知所措，反而喜孜孜地想起童年时关于非欧几何的恶作剧：他在父母书房的地球仪上画了一个三角形，它的三顶角之和也大于180度。 於是他得到一個結論：他四周的空間一定也是彎曲的，就跟那個遙遠時空外的地球儀表面一樣。于是他得到一个结论：他四周的空间一定也是弯曲的，就跟那个遥远时空外的地球仪表面一样。 光線扭曲和全身被向外拉開的輕微不適，都是空間彎曲的緣故。光线扭曲和全身被向外拉开的轻微不适，都是空间弯曲的缘故。

於是，艾弗拉德了解到他正在體驗課本上所提到的廣義相對論效應。于是，艾弗拉德了解到他正在体验课本上所提到的广义相对论效应。 事實上，早在他用刮鬍膏作畫之前，就已經有人做過更精巧的實驗，確認了這些效應：物質與能量會導致時空彎曲，而彎曲的時空會導致物質與能量（例如他的雷射光束以及星光）沿著彎曲的路線前進。事实上，早在他用刮胡膏作画之前，就已经有人做过更精巧的实验，确认了这些效应：物质与能量会导致时空弯曲，而弯曲的时空会导致物质与能量（例如他的雷射光束以及星光）沿着弯曲的路线前进。 他的腳和頭各自「想要」沿著不大一致的曲線走，於是造成了拉扯的感覺。他的脚和头各自「想要」沿着不大一致的曲线走，于是造成了拉扯的感觉。

艾弗拉德一邊思考、一邊按下按鈕，要再度啟動噴射背包飛回太空船，可是背包卻完全沒有反應。艾弗拉德一边思考、一边按下按钮，要再度启动喷射背包飞回太空船，可是背包却完全没有反应。 他警覺到大事不妙，這才看到他的燃料計已經歸零，而他距離保命的太空船氣閘還有好長（其實一點都不「好」）的100公尺。他警觉到大事不妙，这才看到他的燃料计已经归零，而他距离保命的太空船气闸还有好长（其实一点都不「好」）的100公尺。 事實上，他和他的泡泡大三角正定速飄離太空船。事实上，他和他的泡泡大三角正定速飘离太空船。

他反應很快，馬上從多用途腰帶上解下量角器、雷射筆、刮鬍膏和所有其他東西，一樣一樣朝著遠離太空船的方向用力扔出去。他反应很快，马上从多用途腰带上解下量角器、雷射笔、刮胡膏和所有其他东西，一样一样朝着远离太空船的方向用力扔出去。 根據動量守恆原理，他每丟出一樣東西，就會朝相反方向（也就是向著太空船）彈回一點點。根据动量守恒原理，他每丢出一样东西，就会朝相反方向（也就是向着太空船）弹回一点点。 他甚至把噴射背包解開，然後奮力把這重得要命的東西推開。他甚至把喷射背包解开，然后奋力把这重得要命的东西推开。 可惜，當他把身上的東西都扔光了以後，發現他所做的一切只夠讓他不再飄離太空船。可惜，当他把身上的东西都扔光了以后，发现他所做的一切只够让他不再飘离太空船。 他現在相對於太空船是靜止懸浮著沒錯，可是距離還遠得很。他现在相对于太空船是静止悬浮着没错，可是距离还远得很。 看來他是陷入絕境了：他深深記得中學物理老師曾說，一個物體若沒有受到外力或是噴出質量，是不可能加速的。看来他是陷入绝境了：他深深记得中学物理老师曾说，一个物体若没有受到外力或是喷出质量，是不可能加速的。

幸好艾弗拉德剛剛確定了自己正處於彎曲空間，而他也夠聰明，知道中學時代所學的平直（非彎曲）時空中牛頓的某些守恆律，在彎曲時空中並不適用。幸好艾弗拉德刚刚确定了自己正处于弯曲空间，而他也够聪明，知道中学时代所学的平直（非弯曲）时空中牛顿的某些守恒律，在弯曲时空中并不适用。 特別是，他還想起在2003年讀過一篇物理論文，作者美國麻省理工學院（MIT）行星科學家威斯登（Jack Wisdom）證明了，太空人只要以某種技巧擺動手腳，就可以在彎曲時空中移動──這在牛頓定律下是絕對不可能的事。特别是，他还想起在2003年读过一篇物理论文，作者美国麻省理工学院（MIT）行星科学家威斯登（Jack Wisdom）证明了，太空人只要以某种技巧摆动手脚，就可以在弯曲时空中移动──这在牛顿定律下是绝对不可能的事。 也就是說，艾弗拉德可以游泳；他並不需要排開任何液體，就可以在真空中用狗爬式游動。也就是说，艾弗拉德可以游泳；他并不需要排开任何液体，就可以在真空中用狗爬式游动。

威斯登所說的技巧，滿像是一隻貓頭下腳上落下時，四肢在空中伸縮擺動並扭身翻轉以腳著陸的招式。威斯登所说的技巧，满像是一只猫头下脚上落下时，四肢在空中伸缩摆动并扭身翻转以脚着陆的招式。 在牛頓定律下，貓咪在空中不需受力或對外物施力，就能改變方向，但速度還是不能改變的。在牛顿定律下，猫咪在空中不需受力或对外物施力，就能改变方向，但速度还是不能改变的。

cuikai12345

看的头大

eduhf_123

好不负责任的楼主……

转载的时候也不编辑一下，每句话都被重复了一遍……

rainyss

照顾海峡两岸哈

flyunlimit

做为科幻迷，本人表示对此不屑一顾