爱因斯坦的时间弯曲理论

从1907年起，爱因斯坦就一直在试图理解引力的起源。终于在1912年，他灵感迸发，意识到时间一定是被类似于地球或黑洞这些质量很重的物体弯曲了，正是弯曲导致了引力。他将这些发现归纳成精确的数学方程，而我喜欢称之为“爱因斯坦的时间弯曲理论”。以定性的方式描述，这个定律可以表述为：任何事物都倾向于去往时间流逝最慢的地方——引力会将其拉向那个地方。

时间流逝得越慢，引力就越强。在地球上，时间每天只会变慢几微秒，所以引力的强度适中。在一颗中子星的表面，时间流逝的速度每天会减慢几个小时，所以那里的引力是非常强的；而在一个黑洞的表面，时间流逝已经停止，所以那里的引力非常大，以至于没有任何东西可以逃离，包括光。

黑洞周围时间变慢的效应在电影《星际穿越》中有着重要作用。库珀对能再次见到女儿墨菲已经绝望了——当他乘坐飞船飞到黑洞卡冈都亚附近时，时间变慢的效应使他只变老了几个小时，然而地球上已经过去了80年。

在爱因斯坦归纳出这个理论的近半个世纪之内，由于其效应过于微小，所以人类的技术无法检验这个理论。第一次比较理想的测试是在1959年，当时鲍勃·庞德（Bob Pound）和格伦·雷布卡（Glen Rebca）采用了一种叫作“穆斯堡尔效应”（Mössbauer effect）的新技术。他们对比了两个地方上时间流逝的速率，一个是在哈佛大学22.3米高塔的地下室里，另一个是在同一个塔的顶楼中。他们的实验异常精确，足以探测出一天中0.000000000001 6秒（1.6万亿分之一秒）的差别。他们测到的差别比实验精度大130倍。实验结果和爱因斯坦的理论吻合得非常好：时间在地下室流逝得比在顶楼每天慢210万亿分之一秒。

图3-1 在地球上用原子时钟测量时间变慢的效应

重绘自克利福德·威尔1993年所著图书Was Einstein Right? Putting General Relativity to the Test

在1976年的时候，测量精度得到了进一步提高。哈佛大学的罗伯特·维索特（Robert Vessot）把一台原子时钟通过美国宇航局的火箭送到了10000千米的高空。卫星上时钟的嘀嗒声被无线电信号带回，并与地面上的时钟进行了比较（见图3-1）。维索特发现，地面上的时钟要比位于10000千米高空的时钟每天慢30微秒（0.00003秒），并且他的测量与爱因斯坦的时间弯曲理论在实验精度内完全吻合。实验的精度（也就是维索特测量的误差）达到了测量结果的十万分之七，也就是一天的测量误差不超过30微秒中的0.00007微秒。

利用全球定位系统（GPS），智能手机可以确定我们所在的位置，精度可以达到10米。GPS的精度依赖的是一组由27颗处于20000千米高空的卫星所发出的无线电信号（见图3-2）。一般来说，在地球上的任意位置，手机一次能收到4～12颗卫星发出的信号。每颗卫星发给手机的无线电信号里包括：卫星的位置和信号发出的时间。我们的手机再利用信号到达的时间计算出卫星和手机的距离。收到多个卫星发出的信号并计算出距离后，手机就可以利用三角测量定位的方法来确定我们所处的位置。

图3-2 全球定位系统

如果信号的发出时间是卫星真实测量到的时间，那么这个方法就会失效。因为在20000千米的高空，时间流逝得比在地面上每天快40微秒，所以卫星必须要对此作出修正。卫星只能用自带的时钟测量时间——它们会让时钟走得慢一些，调整到和地球表面的时间流逝速率一致，并将这种时间信号发到我们的手机上。

爱因斯坦是一位天才，他或许是历史上最伟大的科学家。他对物理定律的很多认识都是在他那个年代无法用实验检验的。以上讨论的仅仅是众多例子中的一个。人们花了半个世纪改进技术，才达到足够的精度来检验他的理论，然后又花了半个世纪才把他的理论应用到日常生活中。其他这样的例子还包括：激光、核能、量子密码学（quantum cryptography）。