广义相对论与时空的关系及洛伦兹虫洞

狭义相对论只适用于惯性参考系，且未计及引力影响。为了克服这些缺陷，爱因斯坦在1916年提出了广义相对论理论。

在经典力学中，描述空间某一点的位置时，需要建立一个参考坐标系。这样，我们才能按一定的运动方式计算该点的位置，以及它与其他点之间的距离和方位。当我们在一个确定的参考坐标系中研究物体运动的时候，还需要有一个时间参考系统。只有这样，坐标以及由坐标计算出来的表示物体空间位置的量才有明确的意义。这就是说，要描述物体空间位置和运动状态，除3个空间坐标外，还必须要有时间坐标。

在经典力学中，时间被看成是均匀流逝的，不受环境因素和运动状态影响。时间坐标与空间坐标相互独立，互不相关。时空点之间的几何关系由欧几里得几何学描述。

但是在广义相对论中，引力使时空弯曲，时空点之间的关系通过时空度规来描述。时空度规被定义为两相邻点之间线元ds的平方的表达式。它是描述时空特性的一个张量。在狭义相对论中，采用闵可夫斯基度规张量，对于笛卡尔直角坐标系，度规的形式可写为：

在广义相对论中，则采用黎曼度规张量：

式中，gαβ为黎曼度规张量，不同的引力场，gαβ有不同的形式。

但是，在广义相对论中，时间坐标和空间坐标是联系在一起的一个四维世界。在四维世界中，每一个空间坐标系都有一个与之相应的时间系统。人们称这样的时间系统为“坐标时”。不同的空间坐标系有不同的坐标时，它们之间可以按一定的规律相互转换。

空间中某一特定位置上固有的，不随坐标系变换而变化的时间，或者说，时钟本身固有的时间，称为“原时”，也叫本征时。

在同一个坐标系内，坐标时和原时之间的关系受相对论效应的影响。不同的引力场中，这种影响的表达方式也是不同的。(www.xing528.com)

广义相对论指出，在引力场中，处于相对运动状态的2个观测者，对于同一个相邻事件的时间间隔的测量，会给出不同的结果。除了时间膨胀效应的影响以外，还有引力的影响。引力会使信号谱线发生移动。如果是从远离辐射信号的地方去观测，谱线会向红端移动，这种现象称为引力红移。频率红移，表示时钟的时间变慢。

专业时间测量中如何考虑引力红移效应的影响，超出了本书的讨论范围，这里就不作介绍了。

如同时间膨胀效应提出后，人们对时钟佯谬表现出浓厚的兴趣一样，引力使时空弯曲的理论的提出，为科幻家们发挥想象力提供了一个绝妙的舞台。

广义相对论发表以后，有一位叫萨根（C.E.Sagan）的美国人据此写了一本科幻小说《接触》。小说的女主人公有一天落入地球附近的一个黑洞。她通过黑洞的时空隧道，只花1个小时的时间就到达了距地球26亿光年远的织女星。

这个科幻故事打动了许多科学爱好者，促使他们思考是否真有这样的时空隧道，通过它可以在很短时间内完成星际旅行，甚至回到过去？

有位叫莫里斯（M.Morris）的物理学家认为，可能存在这样的时空隧道。他认为，根据广义相对论，人们可以借助引力，把时空卷曲起来，使平直时空中相距遥远的两点尽量接近，并在两点之间形成时空细管——洛伦兹虫洞，又称时空隧道。人们可以通过它实现快速星际旅行，或者回到过去。

读者一定会问，这种星际旅行的可能性如何？

借用相对论研究专家霍金的话来说：我不准备为之打赌。