相對論讀後感

記得第一次接觸相對論是在上大學學大學物理的時候，那時候我們學的是相對論中最粗淺的一些東西，但即使是這樣，相對論帶給我的感覺是深奧、難懂以及強大的好奇心。

大學畢業後，由於工作的關係，一直沒有去看過相對論的相關書籍，直到最近，在網上由於偶然的原因，看到黑洞的報道，才又把深埋在心裏十幾年的對相對論的強大興趣激發出來。

最近在網上，看到有網友在讀愛因斯坦相對論的時候，因理解了愛因斯坦相對論中的某一方面的問題，就在那兒沾沾自喜，鼓吹如果自己能早些出世有幸與愛因斯坦聯播研究相對論的話，相對論就能獲得更快更好的發展。其實這位老兄根本都不用沾沾自喜，我想的話，這位老兄看的肯定是《相對論淺説》這一書，如果看愛因斯坦的原作，那真的是叫一個難懂，那裏面有的是公式的推導，這裏面涉及數學中的多門分支，首先是線性代數，然後是幾何學、複變函數、高等數學、拓撲、圖形論等等。不僅要有豐富的物理知識，還涉及到廣泛的化學知識。就一個黎曼方程就可以讓一個人窮其一生去研究。

當然相對論也並非深奧到完全不能理解。隨着人們對觀念的逐漸改變，相對論中的很多東西也並不是常人不能理解的。舉個例子，相對論中的時空概念。按照我們的習慣思維，空間中任何一點，我們都可以用三維座標來確定，意思就是説，任意一點，我們都可以選定一個三維座標，來確定其在空間的位置。這種座標系，在相對論中被稱為慣性座標系，也被稱為靜態座標系。實際上，宇宙中的任何物質以及宇宙空間都處於不停地運動之中，因此，我們習慣中所理解的三維空間在實際上是不存在的，是一種理想化的空間。如果説，我們習慣中的三維空間是一種靜態空間，那麼相對論中的空間，我們就可以理解為動態空間。即空間中某一點的座標，不僅與三維座標x、y、z有關，還與我們在確定這一點座標時的時間有關，即我們在確定該點座標時，是處於運動中的哪一時刻。下面就相對論中一些敏感的問題提出本人的見解和看法，以便與大家一起分享和共同探討。

關於光速不變的假設。

什麼是光速不變?意思就是説，光相對於任何一個物體，它的傳播速度都是一個常量，即為c。為了能夠讓大家更好地理解，我們先來舉一個例子，在地球表面上，有兩個物體A和B，物體A相對地面以U的速度在運動，物體B相對地面以V的速度在運動，那麼物體B相對於物體A的運動速度應該為(V-U)。現在我們再來做類似的'假設，假設真空中有兩物體A和B，物體B相對於物體A以V=c/2的速度運動，在物體A上發身一束光，按照上面我們所舉的例子，光相對於物體A的傳播速度是c，光相對於物體B的傳播速度應該是(c-V)，但事實上光相對於物體B的傳播速度也是c，這就是光速不變。按照常人的理解，這是不可理喻的。但如果我們從另外的角度去理解，就不難理解光速不變。平常物體的運動依賴於參考系的運動，即參考系運動狀態的改變會導致物體運動的改變，而光的運動不一樣，比如説，從物體A上發出一束光，不管物體A的運動狀態如何變，而光的運動依然不變，這是因為光的運動不需要依賴任何介質。也就是説，光源只決定光的運動方向，而不能決定光的運動速度。實踐證明光速不變是正確，不管你從任何方向，任何參照系去測量光的速度，都是一樣的。説到這裏，也許有人會認為光在真空中的傳播是一成不變的，實際是並非是這樣的，在強大的引力場作用下，光的速度就要發生改變。

關於黑洞

什麼是黑洞?“黑洞”很容易讓人望文生義地想象成一個“大黑窟窿”，其實不然。所謂“黑洞”，就是這樣一種天體：它的引力場是如此之強，就連光也不能逃脱出來。也許這樣還不容易理解，舉個例子：地球上的物體，由於地球的引力作用，當其運動速度小於第一宇宙速度時，就不能脱離地球，只能在地球上運動;當其運動超過第一宇宙速度時，它就可以脱離地球。黑洞其時就是這樣一種大質量天體，它的質量很大，以致於它產生的引力場連光子(根據現代物理學理論，光是由具有一定質量的光子構成的)都不能逃脱。因此黑洞並不是一種非發光體，而是它發出的光不能逃離它的引力場作用以致於人眼無法觀察到。

根據廣義相對論，引力場將使時空彎曲。當恆星的體積很大時，它的引力場對時空幾乎沒什麼影響，從恆星表面上某一點發的光可以朝任何方向沿直線射出。而恆星的半徑越小，它對周圍的時空彎曲作用就越大，朝某些角度發出的光就將沿彎曲空間返回恆星表面。

等恆星的半徑小到一特定值(天文學上叫“史瓦西半徑”)時，就連垂直表面發射的光都被捕獲了。到這時，恆星就變成了黑洞。説它“黑”，是指它就像宇宙中的無底洞，任何物質一旦掉進去，“似乎”就再不能逃出。實際上黑洞真正是“隱形”的，等一會兒我們會講到。

那麼，黑洞是怎樣形成的呢?其實，跟白矮星和中子星一樣，黑洞很可能也是由恆星演化而來的。

我們曾經比較詳細地介紹了白矮星和中子星形成的過程。當一顆恆星衰老時，它的熱核反應已經耗盡了中心的燃料(氫)，由中心產生的能量已經不多了。這樣，它再也沒有足夠的力量來承擔起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，直到最後形成體積孝密度大的星體，重新有能力與壓力平衡。

質量小一些的恆星主要演化成白矮星，質量比較大的恆星則有可能形成中子星。而根據科學家的計算，中子星的總質量不能大於三倍太陽的質量。如果超過了這個值，那麼將再沒有什麼力能與自身重力相抗衡了，從而引發另一次大坍縮。

這次，根據科學家的猜想，物質將不可阻擋地向着中心點進軍，直至成為一個體積趨於零、密度趨向無限大的“點”。而當它的半徑一旦收縮到一定程度(史瓦西半徑)，正象我們上面介紹的那樣，巨大的引力就使得即使光也無法向外射出，從而切斷了恆星與外界的一切聯繫——“黑洞”誕生了。

與別的天體相比，黑洞是顯得太特殊了。例如，黑洞有“隱身術”，人們無法直接觀察到它，連科學家都只能對它內部結構提出各種猜想。那麼，黑洞是怎麼把自己隱藏起來的呢?答案就是——彎曲的空間。我們都知道，光是沿直線傳播的。這是一個最基本的常識。可是根據廣義相對論，空間會在引力場作用下彎曲。這時候，光雖然仍然沿任意兩點間的最短距離傳播，但走的已經不是直線，而是曲線。形象地講，好像光本來是要走直線的，只不過強大的引力把它拉得偏離了原來的方向。

在地球上，由於引力場作用很小，這種彎曲是微乎其微的。而在黑洞周圍，空間的這種變形非常大。這樣，即使是被黑洞擋着的恆星發出的光，雖然有一部分會落入黑洞中消失，可另一部分光線會通過彎曲的空間中繞過黑洞而到達地球。所以，我們可以毫不費力地觀察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一樣，這就是黑洞的隱身術。

更有趣的是，有些恆星不僅是朝着地球發出的光能直接到達地球，它朝其它方向發射的光也可能被附近的黑洞的強引力折射而能到達地球。這樣我們不僅能看見這顆恆星的“臉”，還同時看到它的側面、甚至後背!

由於黑洞是研究宇宙的重要天體，因此這裏作了比較詳細的介紹。黑洞是人類假想的天體，目前尚不能完全證明它的存在，在這裏，我們假設它已經存在，來探討以下的問題。

關於宇宙速度

在愛因斯坦的相對論裏，認為真空中的光速是宇宙速度的極限，本人認為這個這個肯定有問題。按照愛因斯坦的相對論，以及科學家的猜想，黑洞是這樣一種天體，它的質量是如此之大，以致於產生的引力場，使其表面發出的光都不能逃脱。假設這個猜想成立，那麼一束垂直於黑洞表面發射的光，在被吸收回黑洞的過程是一個減速和加速的過程，就跟我們在地球表面往上拋一物體，在地球引力的作用下，先作減速往空中運動，再加速返回地球表面。因此在真空中傳播的光，在引力場的作用下，其傳播的速度大小要發生改變，既然是要改變，就應該超光速存在。我本人是這樣理解，愛因斯坦的相對論也有其適用範圍，在黑洞周圍，目前的相對論可能就不適用。

關於時間

我的個人觀點是首先時間不會倒流，上述已經談到，按照目前科學家到黑洞的猜測，宇宙中肯定有超光速現象存在，超光速並不意味着時間就會倒流，相對論裏的時間是用光速來定義的，為什麼是這樣呢，人類對時間的感官定義總是與光有關，光陰似箭，講述的就是光和時間的關係。舉個例子，當我們觀察手錶上的時間是多少時，是用眼睛來觀察的，觀察的時候就是利用光的傳播。相對論的建立，在很大程度上依賴於天文學的觀測結果，都是利用了光的傳播。因此，時間用光速來定義也就不足為奇。因此，當我們研究黑洞引力場中的物體運動時，就不能採用這個時間定義。

關於宇宙結構或宇宙平衡

什麼是宇宙平衡，宇宙平衡就是指宇宙天體之間的相互平衡，比如説，地球圍繞太陽轉，假如宇宙中只有太陽和地球，那麼它們之間就不能平衡，因此，太陽又要圍繞銀河系轉，銀河系又要圍繞其它的星系轉，如此而無止境。細心的人看到這個定義，就會發現，如果是這樣，宇宙就無法平衡，而實際上我們觀測到的宇宙是處於一個平衡的運轉體系中，這就是宇宙的平衡問題。

相對論十分的難懂，並不是無味，相反它能給人很多的遐想，尤其是黑洞學説引發的宇宙結構問題，以上只是本人在粗略看了相對論後的感想，希望能有高手看了此文指點迷津。