第三节  那个关于相对论的问题

爱因斯坦相对论是第一个很难以理解的事物，对于很多人来说，当说到时间的放慢和伸长，都难以理解，时间的流速这件事很少能被体会到，其实这就像空气本身经常性被忽视一样，类似的，时间的流逝的速度长时间是不变的，从来不会引起人们的注意，因为，真正接触过时间放慢的人是很少的，但是从现在开始仔细的注意身边或许可以捕捉到相关的情形。

爱因斯坦相对论分为狭义相对论和广义相对论两种，狭义相对论就像之前讲述的物理定律通用和光速最快两件事，利用这两个定理我们可以推导出尺缩效应，钟慢效应和质增效应三种和牛顿体系下不同的效应。在之前用到的就是钟慢效应，实际上这三种效应是等价的，为了证明火车加到接近光速是不可能的，需要使用到质增效应。

质增效应，就是说，一个物体在速度增加的过程中相对论质量会逐渐增加，当物体的速度较快时，需要使用其相对论质量作为实际质量带入计算，具体的换算公式如图，可以看到，当速度逐渐加速到逼近光速时，除数将会快速减小，使得m逐渐快速增加到无限大，而如果对黑洞稍微有些理解，你将会知道，当大量的质量聚集在一点时，将会由于原子核力都难以抵挡外部压力，导致原子间的距离无限所小最终将大量的质量压至近似一点，产生甚至光以光速都无法逃离的引力，将所有的事物吞噬进去。如果在地球大气层以内出现一个黑洞，其结果便是地球立即被吞噬，月球被立即扯碎，形成初始的吸积盘，随着吸积盘的形成黑洞两侧出现粒子和辐射射流，然后周围的行星将会同时被扯碎，整个太阳系在一瞬间将会只能看到太阳，其他行星除了最外轨道上的天王海王都将很快变为吸积盘的一部分，而太阳也将在与这个黑洞“共舞”很短时间后，开始被黑洞拉扯物质，形成暂时的黑洞恒星双星系统，随着太阳的物质被吸入黑洞，两者对绕速度变慢，最终互相接近，太阳被扯碎合并进黑洞。随着太阳被的吞噬，银河系中的第三旋臂开始出现因为新的高质量天体产生的旋涡，这时可能旋涡还尚不明显（实际上由于银河系中心黑洞十分巨大，就算太阳系已被新黑洞吞噬，在短时间内银河系本身的平衡并不会被打破），随着离太阳系最近的恒星半人马座阿尔法星被吸引接近，旋涡将会变得明显，随着新黑洞吞没周围恒星，将逐渐接近银河系中心，最终完全改变银河系样貌，并入中心黑洞。（实际上，银河系内并非没有其他黑洞，所以早已存在这种现象，就算现在太阳系被新生成的黑洞吞噬，也不会是这个黑洞产生想象中的改变）

事实上，随着火车的加速，所发生的现象将会是逐渐的变化的，而不是直接到黑洞，火车的速度如果能无限的加速下去，首先将会发生是由火车头部位置的压缩高温空气导致的高压空气波，这种空气波将随着火车前进，而与其碰撞将会是任何飞行物的噩梦，这就如同飞机直接与地面进行碰撞，瞬间就会被摧毁（如果对空难没有什么认识，推荐可以看“空中浩劫”系列，这是一个优秀的纪录片，为你讲述了经典的空难，我很喜欢看，因为这里可以获得许多的知识，包括飞机失事时应当怎样做，也许可以救到自己吧），这种空气波就像是无形的利刃在切削周围的一切，速度较低时并不会有这种现象，而当火车即将跨音速时，这种现象将会开始出现，不仅考验火车本身的质量，也摧毁接近火车的一切，到这一步实际上，火车这种载体已经不能实现需要了，假设所有的一切都撑过了通过声速这一步的考验，激波现象将会消失，在较长时间内，都可以顺利加速，而其高速将会带动一股风在地球上旋转，彻底改变地球气候，如果轨道等设备和地球上的人们都坚持住了，当火车开始接近光速时，其车头部分的高温将会使两个原子相互接近到核力半径这将导致原子的融合，而这种融合就如同氢弹一样，也正是太阳的原理，核聚变，在地球的大气层内点燃一个小太阳，其温度将立即产生环绕地球的热量，是地球上的生物全部灭绝，海洋蒸发殆尽，地球将变为火球，而如果这个小太阳还被推着加速，将会导致电子被压入原子核，和质子结合在稍微吸收一点能量后，形成密集的排布的纯中子构成的中子星，其高密度会开始扯碎地球，并开始在其周期性磁性作用下，在两极形成粒子和辐射射流，类似的这颗中子星开始拉扯太阳上的物质，形成吸积盘并最终和黑洞结局类似，其实，到这里，火车实验已经必然失败。我们必须找到另一种方式实现，比如太空。

在讨论完这个问题后，我们来说一下广义相对论，广义相对论的基础是将加速和引力的效果视为同样的，及加入你在一个封闭轨道舱中，认为你不能判断你是在加速还是在星体对的引力中。这可能是有点难以理解的，如果见过达朗贝尔原理，实际上本来加速度就可以当做力来进行处理，那么广义相对论的这条原理有什么意义呢？我们可以知道，光是没有质量的，加速度视为力无法绕过的一个物理量就是质量，的定律告诉我们两者存在这种正比关系，如果是一个没有质量的物体，就比较的困难了。而广义相对论直接将两者视为同等的效果，这意味着，并不需要再考虑光的质量问题，而直接视为其有加速度即可。广义相对论的经典结论便是引力透镜效应，当光被大质量天体吸引时，将会产生指向该天体的加速度而改变运动轨迹，如果足够恰好，大质量天体后的本应被遮挡无法看到的发光星体将会被看到，这就是引力透镜现象，意思是引力可以像透镜一样弯曲光线。（实际上这种弯曲被认为是大质量天体弯曲了空间，而光仍然是延直线传播的，因此也就会伴有时间减缓的现象，所以大质量物体实际上也会拖慢时间。）

如果再更深层次讨论广义相对论，可以发现一个更加有趣的问题，便是，如果在地球上的双胞胎A,B，B开着宇宙飞船以接近光速前往了最近的恒星，然后又以光速返回地球，那么当AB相遇时，请问A,B谁更老，这是个很有趣的问题，因为如果A来看B，B很明显的经历了接近光速的旅程，那么就如同那个火车的问题，A应当发现B比他更年轻。但问题是，如果B来看A，根据相对性，B会认为A在以接近光速旅行，那么这样看来应当A比B年轻。这就形成了一个悖论，这个悖论被人用来证明相对论的错误，但是，这个悖论的推导过程实际上是存在错误的，不妨大家自己来证明一下，然后我会在下一章给出答案。

下一节，我们继续讨论之前遗留的关于，量子力学的问题。

第四节  那个遗留的关于量子力学的问题

中国的墨子号量子卫星上天了，到底什么是量子卫星呢？量子卫星所做的事情就是在传送一组纠缠的光量子作为秘钥，因为量子纠缠的特性，所以对应的这组量子，是绝对不能被复制的，因此这种一次性使用的秘钥是不能被破译的，因此量子卫星是非常安全的。这也是中国科学家的创举。

提起量子力学，我们需要提起的一个东西就是量子，大家都知道量子力学是个奇奇怪怪的东西，而它所带来的结论也总是奇奇怪怪的，比如一个物体突然从这个屋出现到那个屋，发生穿墙什么的，好像都是有可能的。你们知道霍青……咳咳，薛定谔的猫就是出于一种很奇怪的状态中，又是生又是死的诡异状态，实际上猫是会知道自己是活着的。那么量子力学四个字中的量子两个字也会是很奇怪的吧。不过出乎意料的是，量子是一个很简单的概念。一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。这也就是说，量子就好像：

                                                                            ·

对，看到了吧，就是这么一个点，这就是量子。这里其实很可气的是，虽然很诡异，但这个点符合量子的定义，因为它是长度无限分割得到的，一条线的最小单位，但是这好像没有讨论意义。

那么这个东西应当就符合量子的定义了，这是一个氢原子，一个氢原子就符合量子的定义，而类似的，光子也很符合量子的定义。下面我们来讲一下什么是量子纠缠。

量子纠缠，简单来说就是两个相干量子接近后状态互相影响的现象，比如自旋现象中的一个变为正旋，一个变为反旋。当其中一个发生变化时，另一个也会上作出相对的变化，哪怕是在千里之外，这种藕断丝连的现象，就是量子纠缠现象。而正像那摇摇欲坠的丝一样，如果稍微作出些许干扰，这种联系就会消失，从而使两个量子脱离纠缠状态。而也就实现了量子卫星对秘钥安全的确保。

今天我们讨论的不是量子纠缠的问题，我们来看一下量子力学的一些基础理论。来证明那个遗留的问题，为什么完全的复制是不可能的。查阅可以知道，这个不可能的意思不是不能被现有技术实现，也不是能实现但是以人类的能力难以做到，而是根据量子力学的理论，这是根本不可能的。

在量子力学中有三个基础是这样的，首先是任何事物都被认为是其所有状态的总和，就好比薛定谔那可怜的猫，对于外面观察的实验员来说，就处于死和生的总和状态。还好比对于一个粒子，它处于在目前所在位置和其他位置和在墙外，在火星，在宇宙边缘的所有状态的总和状态中。第二个是，对于一个系统来说，它的状态是其中所有的物体的叠加，就比如，薛定谔的猫这个系统（没错，可怜的猫），其处于毒药瓶破掉，猫死了和毒药瓶没破，猫活着这两种状态的叠加。第三个是当对该系统的某种改变发生时，将等于对其中的每个个体产生作用然后重新叠加形成一个状态。这就好像可怜的猫和毒药瓶同时受到了盖革计数器的影响，而毒药被释放，猫变为了听到盖革计数器响的猫。

那么如果我们将这三点应用到讨论完整复制这一问题上呢？首先，完整复制被称为克隆，我将会用克隆来代替这四个字，那么按照要求，对于一个需要被复制的系统，假设包含两个状态A和B即A+B，如果我们可以成功的进行克隆，应该得到的就是两个A+B构成的系统，即（A+B）*（A+B），如果我们用一个式子来表示就是，clone(A+B)=(A+B)*(A+B)，而按照量子力学的理论，clone(A+B)=clone(A)+clone(B)=A*A+B*B≠(A+B)*(A+B),这就构成了矛盾，按照反证法我们可以知道，在我们的推导不存在问题的情况下，明显假设的两个中的量子力学和克隆这件事一定有一件是错误的，而量子力学被公认为是正确的，那么必然克隆是错误的，这就证明了不存在所谓的完整的复制。那么我们之前的那个问题就得到了证明，无论是先复制再消除一定是错误的，但是第三种边复制边消除却并不违背量子力学，因为这个式子就像如下这样，transfer(A+B)=transfer(A)+transfer(B)没有任何问题。

这样，我们成功的解决了这个传送的问题，那么到现在，第三章所有的问题都解决了。现在我们简单的回顾一下这四章，之后再进入第五章第一节，讨论一些科学中的那些有关宇宙的悖论。