第七章 时空那点事
上一章的故事让我们的心情都有一些沉重，我知道自己根本算不上一个作家，更不用说是一个好的小说家了，因此这个故事在你的眼里可能不够精彩，文字也不够精炼，但我只希望能用真实来打动你。真实的力量是强大的，记录是为了不忘记，不忘记是为了悲剧不再发生，这样的历史悲剧不应当在我们这一代或者我们的下一代身上重演。
自从相对论诞生以后，我们看到时间和空间再也不是天上的牛郎和织女永不相见了，时间和空间就像是焦不离孟、孟不离焦的一对结义兄弟，又像是难分难解地纠缠在一起的DNA双螺旋结构，我们再也不能只谈空间而不谈时间，或是只谈时间而不谈空间。爱因斯坦指出时间和空间不仅不能独立于宇宙，而且不能互相独立，引力不可能只使空间弯曲而时间却安然无恙。
从此我们多了一个新的名词——时空，对不起，请千万不要把“时空”等价于“时间和空间”，时空就是时空，它是一个整体，就好像你不能把“牛奶”看成是“牛”和“奶”的简单相加一样。被我这么一解释，我知道你开始对“时空”这个词感到疑惑了，你能想象出时间，也能想象出空间，但是你却无法想象出时空的模样。
请跟随我来，让我来帮你在头脑中建立时空这个诞生于20世纪的伟大名词，它是人类对宇宙认识的一次大飞跃，我将再次带你踏上一次惊奇之旅。
时空中的运动
我们的故事要从……（大哥，这次从哪年开始讲起？）要从一次跑步开始讲起（大哥，交代时间地点人物啊），这个故事无所谓年份、无所谓地点、无所谓具体人物（大哥，果然来玄的了）。
为了叙述方便，就让我们一起去学校的操场跑步吧。我知道你可能很久没跑步了，我比你好一点，我每周到健身房跑两到三次，但是那都是在跑步机上完成的，站在操场上百米跑道上的记忆还得回到大学时代了。现在，让我来计时，你来跑步。我们的规则是跑两次，白天一次，晚上一次，你先克制一下你的疑惑，让我们跑完再说。白天这次你跑了16秒8，离达标还差一点，为了晚上取得更好的成绩，你努力锻炼了一下，试图恢复一些当年的勇猛，晚上又跑了一次。这次你自我感觉很不错，觉得会比白天那次跑得更好一点，可是我把成绩一告诉你，你却吃了一惊，怎么反而只有17秒2了？
下面这幅示意图可以解释为什么你晚上状态更好，成绩却更差了，原因很简单，晚上视线太差，黑漆漆的你跑了一条斜线都不自知。
图7-1跑步的方向不一样导致成绩不同
看了这幅图，你恍然大悟了，原来你小子让我在晚上跑步是别有用心的，故意就是要让我把方向跑偏。不用生气，为了科学，牺牲这么点儿自尊不要紧。现在我来问你：“假设你两次跑步的速度是一样的，为什么晚上的用时比白天更长了呢？”
你白了我一眼说：“你这不是明知故问嘛，晚上我方向跑偏，跑的路程更长了，所以用时就更多了。”
我说：“回答正确，用距离来解释这个现象是我们最直观、最朴素的想法。但是你知不知道，还有另外一种更抽象的解释，在这个解释中，我们不需要距离这个概念。”
你说：“哦？什么解释，你说说看。”
我说：“你刚才自己也提到，运动是有方向的，你的运动速度可以分解为X轴方向的速度和Y轴方向的速度的合成速度。假设你跑步的速度是V，白天跑步的时候，你在Y轴方向的速度是Vy＝0，而在X轴方向的速度Vx＝V。但是到了晚上，你在Y轴方向的速度大于零，在合成速度不变的情况下，于是你在X轴方向上的速度就必然小于V了，这就好像在Y轴方向的速度分走了一部分你的跑步速度，你在X轴方向上运动的速度变慢了，所以你晚上的成绩就不如白天了。”
你若有所思地点点头说：“明白了，速度的方向看来很关键。”
千万别小看这个看起来更抽象一点的解释，这是我们对运动本质认识上的一次大飞跃。我们认识到，任何一个物体在空间中的运动速度，都可以分解为在互相垂直的三个方向上运动的合成，像下面这幅示意图显示的那样：
图7-2 物体的运动速度是三个方向的合成速度
一个物体的运动速度V是由他在XYZ三个轴方向上的速度的合成，如果总速度恒定的话，其中一个方向上的速度增大，另外两个方向上的合成速度就必然减小，就好像速度是被切成三块的蛋糕，你可以随便切这三块，但是蛋糕的总大小不会改变。这XYZ三个方向物理学家为了耍酷，就用了一个听起来很拉风的词来描述，那就是“维度”，我前面所说的概念如果让物理学家来说的话，他们就会说“物体在三维空间中的运动可以分解为在三个维度上的运动合成”，这样听起来确实很拉风，但其实意思跟我们前面用方向来表述是一样的。
下面该爱因斯坦登场了，爱因斯坦向我们大声宣布了一个惊人的发现，他说：“这个宇宙中任何物体的运动速度都是光速C，对，没错，你我的速度是C，太阳月亮星星还有光本身，我们的运动速度都是光速C。只不过这个速度不是在三维空间中的速度，而是在“时空”中的速度，除了空间的三个维度以外，我们必须再增加一个维度，这个维度就是时间，多了个时间维度后，空间就不再是空间，时间也不再是时间，而是纠缠在一起成为了时空，时间空间就是一个整体，我们每个人都是生活在一个四维时空中，我们每个人在时空中的运动速度都恒定为C，永远不会快一丁点儿，也不会慢一丁点儿。”
天哪，这个发现实在是太让人震惊了，我们把爱因斯坦的这个发现画成一个简单的示意图的话，就会是下面这个样子：
图7-3 物体在时空中的运动速度恒定
你是不是已经在头脑中模模糊糊地建立起了时空的概念了呢？一旦我们明白了时空的含义后，就会发现，任何物体的运动速度不再是把蛋糕切成三块了，而必须切成四块，蛋糕的总大小永远恒定为C。
这是一个如此简洁、优美而深刻的发现，这是人类对宇宙认识的一次飞跃，每当我想起这个，总是被一次又一次地深深震撼。用这个简洁而深刻的思想来解释狭义相对论中关于时间和速度的关系那就变成了天经地义的事情，物体在空间中的运动速度会分走在时间中的运动速度，空间中运动得越快，在时间中就越慢，时间空间是一个密不可分的整体，任何物体都是在时空中做着相对运动。时间和空间是互相垂直的两个维度，用这个思想可以用普通的速度合成公式极其简单地推导出相对论因子。这个思想还蕴涵着这样一个显而易见的事实：物体在空间中的运动速度有一个极限，那就是光速C。
我们不再需要用眼花缭乱的质能公式和牛顿第二运动定律去联合解释为什么光速是极限，这个时空运动的思想简洁而有力地告诉我们：假设物体的运动速度完全从时间这个维度中转移到空间中，那么物体在空间中的运动速度就达到了最大速度C。以光速在空间中运动的事物，在时间中就停止运动了，所以，光是不会变老的，从宇宙大爆炸中诞生出来的光子仍然是过去的样子，在光速运动中，没有一丁点儿时间的流逝，时间真的停止了。现代的相对论学家认为，光速C很可能是我们这个宇宙时空的一个几何性质，就像圆周率是π，它是一种数学性质，跟物理性质无关。
从此，我们不再分开谈论时间的流逝和空间中运动的速度，只要是运动，就是在时空中的运动，当你进行百米冲刺的时候，你我在时空中进行着相对运动，空间发生变化的同时时间一定会发生变化。看来，我们经常在科幻小说中看到的“时空穿梭”其实一点儿都不神秘，你大可理直气壮地宣布：我以百米冲刺的速度在时空中穿梭，我们每个人每时每刻都在时空中穿梭。你也可以理直气壮地宣布：我距离一秒钟前的自己30万公里。这真是一个遥远的距离啊，如果你和你的爱人错开了一秒钟，那么你要不停地步行9年半才能追上你的爱人。我们都是生活在低速世界中的生物，我们在空间的三个维度中能达到的速度和光速相比实在是小得可怜，这才会让我们产生时间和空间这两个完全不同的概念。如果我们想象宇宙中有一种日常生活的速度都是接近光速运动的智慧生命，那么在那些智慧生命的概念中，将不再区分时间和空间，在他们的感觉里面，时间和空间只不过是不同的方向而已，他们看狭义相对论的各种效应都会像我们看太阳的东升西落和大自然的花开花落一样平常。在相对论学家的眼里，时空才是我们这个宇宙的本质。请你务必在头脑中牢牢地建立时空这个概念，牢牢地记住没有单纯的空间运动，这对于我们后面的故事至关重要。
四维时空
其实，我们在日常生活中早就已经有了四维时空的概念，不是吗？回忆一下你和朋友们是怎么约会的。“我们在老地方见（人民广场喷水池旁）”，只是这么一个空间坐标够吗？如果就这么一句话的话，你们俩多半还是见不了面，你还得再加一句“老时间（晚上7点）”，这样你们才能确保双方达成了一个准确的协议，也就是说一个约会的事件在时空中的坐标必须包含四个维度的信息，空间的三个维度加上时间的一个维度。在我们低速的地球世界中，似乎“老时间老地点”这句话已经能确保你和朋友见面了，但是，如果我们到了银河联邦的莱因哈特时代（什么，你不知道银河联邦和莱因哈特是什么，那杨威利也不知道吗？拜托，《银河英雄传说》怎么能没看过？我不管了，凡是不看银英传的人，我不照顾了，默认当大家都看过的，本人是超级银英迷），如果只是这么一句约会的口头禅很可能就要犯大错了，很可能你和朋友就永远也见不着面了。因为没有设定统一的时空坐标参考系，那可真就是差一秒就差十万八千里还多了，关于这个话题我们在本章的后面讲到星际旅行的时候，还会要详细说，这里先跳过，你可以趁此机会去了解一下《银河英雄传说》这部传世之作，会让你更容易理解本章后面要讲到的很多故事。
不过，在时空的四个维度中，时间这个维度有一点特殊性，那就是你只能在时间这个维度中朝一个方向运动，而空间的三个维度可以朝正反两个方向运动。
时空那点事主要讲的是时间旅行、星际殖民和星际贸易这三件有趣的事情，但是请各位读者千万注意，我绝不是在创作科幻小说，我要从科学的角度去帮你分析和看待以上三件科幻小说中最常出现的元素，帮你提高以后欣赏科幻小说的能力，帮你找出科幻小说和幻想小说的区别。
时间旅行
让我们先从最让你感到激动的时间旅行开始说起吧。
现在这年头，穿越类的小说真多，俨然成了各大文学网站上的一个大类，各种各样的穿越手法真是五花八门、眼花缭乱，那种月光宝盒式的无厘头穿越不在我们今天讨论范围之列。有时候偶尔你也会看到一些对穿越行为的“科学原理”进行描述，其中最多的是说“根据相对论，只要速度能超过光速，我们就可以回到过去。”各位，以后凡是看到这种利用超光速穿越的小说，可以立即定义为“科盲幻想小说”，简称“盲想小说”。这种根据相对论超光速就能穿越的科学原理简直自相矛盾得一塌糊涂，相对论的一个最基本的原理就是光速是任何运动的速度极限，是不可能被超过的，而一旦允许超光速运动，那么相对论本身就被推翻了，又何谈根据相对论呢？这是一个显而易见的自相矛盾，那么多的盲想小说家把这个奉为至宝——但凡穿越，必超光速，实在是让我异常的惊讶，我一个朴素的愿望是芸芸穿越小说家们能随手翻翻我这本书，就是编也要编得靠谱一点。
那我们来了解一下真正物理学家研究的时间旅行到底有一些什么样的科学原理和依据吧。
时间旅行是广义相对论研究的课题，目前全世界确实有很多严谨的科学家在探讨这方面的可能性，其中就包括有着“活着的爱因斯坦”之称的霍金。根据广义相对论，时空会被引力弯曲，引力越强，则时空的弯曲程度越大，也就是说，根据广义相对论的这个原理，我们会发现时空不是平坦的，时空是有形状的。我知道我这么说还是让你感到不太明白，那么我就来打一些粗糙的比喻来帮助你理解。我们首先把时空想象成一张纸，我们在时空里面运动，就好似沿着纸面运动，但是请注意一点，如果这张时空纸延伸的方向表示时间这个维度的话，那么我们只能朝着一个方向运动，因为时间维是只能朝一个方向运动的，这是时间维的物理性状。
图7-4 在平坦的时空中朝着时间的方向运动
但是请千万注意一点，在爱因斯坦的时空观里面，这张纸是不平坦的，有起伏，有褶皱，我们在时空纸上的运动就像在崎岖不平的山路上走路一样，高高低低的。
图7-5 真实的时空不是平坦的
现在假设我们在一个平坦的时空中上午8:00出发，从时空的一头运动到另外一头（注意，根据爱因斯坦的发现，任何物体在时空中运动的速度都是光速，所以，在这个比喻里面，你就不要再问出我们的运动速度是多少这样的傻问题了），到达终点的时候，刚好是上午9:00。现在再假设我们经过的这段时空被某种力量弯曲了，那么我们达到终点的时候，会变成上午8:30，如果弯曲得更厉害一点，我们就会在8:10到达终点。
图7-6随着时空的弯曲程度加大，到达时间越来越早
现在重点来了，如果时空这张纸被弯曲成了一个莫比乌斯带的形状，头尾相连了起来，你就有可能在7:50达到终点，也就是说你沿着弯曲的时空走了一圈回来以后，发现到达的时间比你出发的时间竟然还早，这意味着你回到了过去。
图7-7 在一个时间圈环中，到达时间早于出发时间
因此，在广义相对论中，时间旅行的科学原理是通过一个时空的圈环回到过去，这个时空圈环被霍金称之为“类时闭合曲线”（也不知道怎么翻译的，拗口得很，有些人就是喜欢故弄玄虚，直接像我这样叫时空圈环挺好的）。爱因斯坦的狭义相对论是不允许时间旅行的，等到广义相对论刚刚诞生的时候，爱因斯坦也不认为时空能弯曲成一个圈环，直到1949年，他的好朋友、大数学家哥德尔（Kurt Godel, 1906-1978）在广义相对论方程中发现了一个解，这个解居然允许宇宙中这种时空圈环存在，爱因斯坦当时就震惊了，但随后他就意识到这个时空圈环正是自己和助手罗森塔尔一起发现的“虫洞”的某种特性（还记得我们在第五章最后讲到的爱因斯坦罗森塔尔桥吗）。
所以，靠谱一点的时空穿梭原理一般都要借助虫洞来完成，以后看穿越小说先翻翻有没有提到爱因斯坦罗森塔尔桥或者虫洞什么的（哪怕像电影雷神托儿中叫彩虹桥也行）。
非常抱歉，前面出现了一个让你莫名其妙的名词——莫比乌斯带。不是我故意不解释，而是这个东西实在是太迷人了，我非得另起一段单独讲讲才觉得过瘾呢。莫比乌斯带，也经常被叫做魔比斯环（前两年首部国产魔幻3D动画大片就叫《魔比斯环》，就冲着这个电影名称我屁颠儿屁颠儿地跑去看了，结果发现也基本属于盲幻电影），也叫梅比乌斯带，麦比乌斯带等等，都是翻译带来的麻烦，英文名称是Mobius Strip，这是诸多科幻小说、科幻电影、（甚至喜羊羊的动画片中）都经常出现的一个神奇事物，它往往象征着时空穿梭，以它的发现者莫比乌斯命名，到现在也快有200年了。
图7-8莫比乌斯带
看到没，上面这个就是莫比乌斯带，其实就是把一张纸条的一头拧半圈然后和另一头粘起来，形成一个圈圈。但是你千万千万不要小看这个圈圈，这个圈圈有着许许多多迷人的特性。如果你在这个圈圈上跑步，你就可以一直往前跑，不用翻越任何边界而跑过所有的面。如果你拿一只毛笔，沿着纸面只用一笔就可以把颜色涂满整个纸带。这个圈圈和我们平常认识的任何像手镯这样的圈圈不同，这个莫比乌斯带只有一个面，如果你沿着手镯表面的中线一刀剪下去，那么手镯就会一分为二成为两个各自独立的手镯，但是神奇的是，如果你同样沿着莫比乌斯带的中线剪一圈，你会发现，这个莫比乌斯带不会一分为二，会成为一个有着正反两面的更大的一个圈圈，然后你再沿着这个圈圈的中线剪开，你会神奇地发现这次剪出了两个互相嵌套在一起的两个圈圈，然后再把两个圈圈各自沿着中线剪开，又会变成互相嵌套的四个圈圈，这么剪下去永无止境，最后圈圈套圈圈复杂得可以把你搞疯掉，你是不是很有冲动去试试看了。还有更有意思的特性，首先来跟我认识一下所谓自然界中的“左右手系”对称，想一下左右手套，这两只手套你怎么看他都像是对称的，但问题是，如果你不把手套在空间中翻一个面的话，你永远也无法把两只左右手套完全重合上下叠一起，就好像你怎么也不能把左手套在不翻过一面的情况下戴进自己的右手中。不过，如果你让一只左手套沿着莫比乌斯带转刚好一圈（不是两圈），这只手套就会翻过一面成为了一只右手套，但是请千万记住它的神奇之处就在于如果手套有感觉的话，它根本不会发现自己其实被翻过了一个面，在它的感觉中，它只是沿着一个面不停地运动，不知怎么的就从左手系变成了右手系，再运动一圈又变回了左手系，真是要命的感觉。
图7-9 左手套转一圈变成了右手套
伽莫夫写的著名的科普经典《从一到无穷大》中就说，如果类似莫比乌斯带这样的事情也能发生在三维空间中，我们的鞋子制造商就会大为欣喜，他们只要生产左脚的鞋子，然后通过莫比乌斯空间传送带转一圈回来，就成了右脚的鞋子，真是爽死了，而一个人如果上了这个莫比乌斯空间传送带，转一圈回来则发现自己的心脏跑到右边去了，这就不爽了。但问题是，两维的纸片做成的莫比乌斯带我们很好想象，那到底有没有三维的物体形成像莫比乌斯带这样神奇的左右手系互转的形状呢，答案是有的，1882年德国数学家找到了一种以他名字命名的模型，叫做“克莱因瓶”。
图7-10克莱因瓶
瞧瞧，就是这种极其怪异的瓶子（但这仅仅是克莱因瓶的近似，真正的克莱因瓶是没法直接做出来的，真正的克莱因瓶是不会互相穿过的，需要一点空间扭曲的想象力），我保证你盯着他看三分钟，想象你在这个瓶子的表面跑步的情景，你会越看越神奇，越看越觉得不可思议，直到逻辑彻底混乱为止。好了，咱别看瓶子了，继续看书。你想象一下，如果时空扭曲成这种神奇的形状，那么你就完全有可能坐着宇宙飞船从21世纪出发，到19世纪返回，穿越了一个世纪的时间，如果继续往前又会返回21世纪。
太神奇了，你打心底里面发出由衷的赞叹，物理学家太伟大了，物理学太有趣了，居然真的给他们搞出了一套回到过去的理论。但是很快，人们就发现如果允许回到过去的话，会产生一些逻辑上的悖论，或者说一些怪圈。比如最著名的祖母悖论，你可能耳熟能详了，就是你如果回到过去杀死了你的祖母，那么你祖母既然死了，你又怎么能存在，你不存在了又怎么能回去杀死你的祖母呢？我总觉得这个故事写得拗口不已，完全没必要这么复杂的嘛，就简单说如果你回到过去杀死以前的自己的话，又怎么能有后面的你再回去自杀呢。
总之，类似这样的祖母悖论型的逻辑悖论我们随便就能想出很多很多，有一个最变态的悖论说的是，你在未来给自己做了变性手术然后回去找到自己和自己生下了自己，我真服了想出这个逻辑悖论的“淫”。这些悖论又如何解决呢？物理学家们研究广义相对论，确实用严谨的数学论证出了时空圈环的可能性，但是祖母悖论显然又在挑战我们的常识，没有人能接受祖母悖论会真的发生。
现代的物理学家们为此争论不休，想出了各种各样的解决方案来避免逻辑悖论的发生，有代表性的解决方案有这么几种：
第一种，叫做自由意志丧失说，物理学家说所有该发生的历史都已经发生了，你不可能改变这个历史，所以一旦你回到过去，你就会丧失自由意志，你完全被历史所控制，你无法改变任何历史的一丁点。你听懂了没？总之我是不大听得懂。
第二种，叫做时空交错说，物理学家说你是可以回到过去，但是你回到的那个时空和真实的历史时空是平行纠缠在一起的，但永远不可能相交，你可以看见历史，但不能影响历史，这个我听懂了，不就是说“只能看，不能摸”嘛。
第三种，叫做多历史说，这个理论首先是由一个叫费因曼（Feynman, 1918—1988）的美国物理学家提出来的，他说历史不止有一个，你可以回去杀死你的祖母，你也可以回去干任何事情，甚至杀死罗斯福让希特勒取得胜利，什么都可以干，但是请记住，你影响的那个历史和我们这个世界的历史不是同一个。换句话说，当你干下了任何改变历史的事情时，世界就分裂成了两个世界，在我这个世界中希特勒倒台了，在你那个世界中希特勒最后成了全世界的偶像。说老实话，这个理论真够疯狂的，为了让时间旅行合理，动不动就克隆出无数个世界出来。但恰恰是最后这个看起来最疯狂的理论，却得到了最多物理学家的支持，包括像霍金这样的大科学家（参见霍金著《大设计》）。
难道物理学家都疯了吗？这世界有这么疯狂吗，怎么会去相信听起来如此不靠谱的一个理论呢？这是有原因的，因为在过去几十年中，随着物理学家们对量子物理的深入研究——所谓的量子物理就是研究比针尖还小几万万万（至少还得打好几个万）亿倍的基本粒子的行为的物理学，物理学家们越来越发现这个世界真是不可思议，很多微观世界的现象只能用一些听起来很唯心的、很过分的、很疯狂的理论去解释，否则如果按常理的话怎么也说不通，包括这个多历史的现象似乎在微观世界中每时每刻都在发生着。关于量子物理的话题我们在第九章还得再简单地讲一讲，但也只能简单地讲讲，如果真要说开去的话，还得有一本比本书更厚的书才行。
你可能也看出来了，真要想时间旅行，以我们人类现在的技术是不可能达到的。要扭曲时空就必须要有巨大的引力，产生引力就要有巨大的质量，而质量和能量又是可以互相转换的，所以归根到底要有巨大的能量。日裔美籍著名的物理学家和科普作家加来道雄在他的《不可能的物理学》中曾经做了一个简单的计算，说如果我们能把太阳一天放出的能量全部采集下来的话，这是多大的能量，我粗略地估计了一下，大概等于自人类诞生以来所使用过的所有能量的总和，用这么巨大的能量可以打开一个只有几纳米大小的虫洞，这个虫洞最多只能允许把你分解成无数的原子通过后再在另外一头组装起来。呜呼，看来真是难啊。但你可能也会跟我一样想到这样一个问题，我们现在是没有能力制造时间机器，但是未来人呢，如果在遥远遥远的未来有人造出了时间机器，那么那个人就有可能乘坐时间机器回到我们或者我们以前的时代，但是为什么我们从来没有见到这样的未来人呢？也从来没有历史记载有未来人的光临。假设未来无限远的话，假设时间机器确实可以造出来的话，那么概率再小也应该有未来人回来了啊。有这个想法的人还真不少呢，2005年，为了庆祝国际物理年，同时也是为了庆祝相对论诞生100周年，美国麻省理工学院举办了一场“时间旅行者大会”，举办方郑重地在报纸上刊登广告，邀请未来的时间旅行者光临会场，并且携带未来的物品作为证据。大会开了一天，确实来了很多“旅行者”，可惜没有一个能让人相信是“时间旅行者”，这些旅行者都辩称时间旅行只能光着屁股旅行，就像施瓦辛格扮演的终结者那样，所以没有信物。各位亲爱的读者，你们相信还是不相信呢？
星际旅行
好了，关于时间旅行的话题我们就聊到这里，这个话题其实蛮有趣的，我建议你把我前面说的事情好好地看上三五遍，然后记下来，和朋友喝茶吃饭聊天的时候用自己的语言复述一遍，保证能让你大放异彩，本人就是经常这样放放异彩的，结局往往是话讲完了，菜也被吃完了。讲完了时间旅行，我们该来说说星际殖民有关的话题了，就像《银河英雄传说》中的自由行星同盟的国父海尼森那样远征两万光年，寻找适合人类居住的外星，那么真正的星际旅行可能吗？会遇到什么样的事情？如果我们真的能在几十甚至几百光年（几万光年我是不敢想的）的范围内建立第二个、第三个地球，我们这些星际殖民者的日常生活和时空观念在相对论的理论下又该是一个怎样的情景呢？这类题材的科幻小说也不少，包括著名的《银河英雄传说》，但是小说中的很多事情都是不可能真实发生的，真实的世界会残忍而令人沮丧，让我们先从一堂令人沮丧的算术课开始我们这个话题吧。
同学们，我们要到太阳系以外的地方去殖民，首先我们至少要飞往一个恒星系，只有在恒星的附近才有可能出现适宜人类居住的星球，恒星就是那颗星球的太阳，给它温暖和能量，如果没有恒星，那么在黑漆漆的宇宙中我们肯定是会被冻死的。让我们仰观苍宇，看看满天的星星离地球有多远吧。天文学家早就发现，离地球最近的一颗恒星叫做比邻星（半人马座α星），距离我们的时空距离是4.3光年，所谓光年就是光跑一年走过的距离。光年这个单位在你小的时候，看到可能会认为是一个时间单位，长大后懂得多一点了，才知道是个距离单位。现在我们有了时空的概念以后，我们发现光年这个单位其实描述的是时空单位。在宇宙空间中因为时空的不平坦性，其实你是没法用公里去定义距离的，就像在海上要用海里来定义距离（因为地球是圆的，海上的直线其实是根圆弧线），在宇宙中只能用光年来定义时空距离，你可以把它看成是距离单位，你把它看成是时间单位也问题不大，时间空间已经成为了一个整体，不分你我。总之，即使是离我们最近的恒星听上去也是离我们非常遥远的，光都要走4.3年嘛，同学们，现在我们来做一些简单的数学计算，看看这颗比邻星离我们到底是多远。以人类目前掌握的技术而言，最快最快的宇宙飞船能飞得多快呢，即使是按照最乐观的估计，大概也只能达到光速的万分之一，来，算算看，飞到比邻星是多少年。没错，是43000年，有没有搞错？！你惊呼一声，我以为人类的宇宙飞船已经够快的了，没想到那么慢啊。抱歉，我这还是给足了人类面子了，阿波罗登月飞船飞到月球差不多用了4天时间，我已经让人类最快的宇宙飞船飞往月球只需要不到3小时了，这面子已经给得够大了。而且，我这还是忽略了加速和减速的时间（这个大概还要耗掉200年呢）。看来，以目前人类的技术实力是没戏了，43000年，不用说人类的寿命问题，就算你能在飞船上生儿育女一代代地延续，也没有任何机器设备能工作那么久的时间，可能用不了几千年就都烂光了。
看来必须要提升飞船的速度，那么你们觉得至少要达到多少速度才有可能进行星际殖民呢？掐指一算，可能得出的结果是最低速度怎么着也得达到光速的十分之一，也就是0.1c吧，这样我们飞到最近的比邻星就只需要43年了，我们且不谈从万分之一光速到十分之一光速的技术难度有多高，我们今天只是一堂算术课。听起来貌似靠谱，从地球出发，算上加速减速的时间，飞50年到达目的地，然后到了以后发个电报回来告知情况，地球要用4年多才能收到电报，这样的话，如果我有幸30岁的时候能到NASA（美国国家航天局）参与这个伟大的比邻星探索计划，那么当我84岁的时候有望听到比邻星那边传回来的消息，总算马马虎虎还能接受，在我有生之年是有希望知道实验结果的。
但是，同学们啊，千万别忘了，我们说的只是离地球最近的比邻星，我们的目的可是要寻找适合人类居住的星球，并不只为了到别的恒星系中看看风景，用一生去等待这个风景也太可怕了。遗憾的是，比邻星系很可能找不到任何行星，去了也是白去。按照现在天文学家的估计，离我们最近的类地行星（就是允许液态水存在的固体外星球），大概至少有50光年的距离，也就意味着，我们即便达到了0.1c的速度，飞过去至少也要花500年的时间，并且随着最大速度的增加，加速减速需要消耗的时间也会迅速上升，要达到0.1c的速度，加速减速的时间就可能要占到总飞行时间的一半了，很显然，人类不可能向飞一趟要1000年的地方去拓展殖民地的，就好像你不能指望原始人靠游泳从欧洲去美洲新大陆拓展殖民地一样。这个速度还是不够，必须还得提升，那你觉得，以50光年考量的话，我们的速度至少要达到多少，才有可能进行星际殖民呢？
你心里想着可能需要反算一下，也就是我们先设定多少年能飞到的心理预期，然后再反算要达到的速度。经过一番挣扎，你可能会想，好吧，不管怎样，让我在到达目的地后，能让我的亲人在有生之年知道我活着到达就可以了，但是我将非常遗憾地告诉你，不管我们怎么努力，哪怕我们的星际飞行速度能无限接近光速，你的这个朴素的愿望还是无法实现，你的亲人也不可能在有生之年得到你的消息。理由很简单，假设50光年外的那颗星球叫做“奥丁”（银英传中银河帝国的首都星），你首先至少要用50年的时间飞到奥丁，到达以后你往回发一个电报，这个电报也需要50年的时间到达地球，你在地球上的亲人从你出发那天起最少最少也要等100年才能等到你的这个报平安的电报。
这确实是一场令人沮丧的算术课，看来，要想星际移民，你出发的那天就是和你所有亲人永别的一天，对你的亲人来说，你不但是一去不复返，而且这一去就是杳无音信，他们用一生也得不到你平安抵达的消息。
但是，如果我们的飞船速度能在很短的时间内加速到无限接近光速（虽然这在今天在技术上还是无法想象的，甚至连理论上的可能都没有），对于星际旅行者的你来说，情况却要乐观得多，50光年的距离对你来说只不过就像是在地球上做了一次长途旅行而已。根据时空穿梭速度恒定的原理，你在空间中的运动速度会分走你在时间中运动的速度，换句话说，你飞得越快，你自己感觉到的时间流逝就越慢，假设你达到了0.9999c的速度飞向50光年外的奥丁星的话，你自己仅仅感觉过去了81天就抵达了，而你在地球上的亲人则已经老了50岁，我们用下面的时空运动图来表现这个概念：
图7-11 地球上的人和星际飞船上的你在时空中运动
在这幅图中，大家都以奥丁星为参照物，地球上的人在时间中运动得很快（接近光速），但是在空间中运动得很慢，而星际飞船上的你则恰恰相反，你在时间中运动得很慢，但是在空间中运动得飞快（接近光速）。所以，以自己的感觉，你没有用多少时间就从地球飞过来了，但与此同时，地球上的时间却在飞速地流逝。
沿着上面这个思路，我们可以得出一个推论，如果地球和奥丁的时空距离是50光年的话，那么就意味着他们的时间距离至少为50年，也就是说，这两颗星球的人想要发生任何相互接触，不管是通信还是旅行，总之，这个50年是不可逾越的。我们现在假设你供职于地球上的一家公司，公司如果派你去奥丁的分公司出差，你坐上星际飞船到达奥丁，办了几天公事再回到地球的时候，尽管你自己觉得只用了几个月的时间甚至更短，但是地球上已经过去100多年了，你的老板早就过世了，你供职的这家公司是否还存在也很难说了。因此在星际殖民时代，恐怕不会发生派人去别的星球出差办点事再回来这种事情，虽然这样的情节随便找一本有星际殖民题材的科幻小说中比比皆是（比如电影《阿凡达》）。
那么我们再来看看在星际殖民时代的约会又会有哪些特点呢，你和你的朋友都在地球上，有一天你们心血来潮相约要到奥丁去见面，比如说你们约定在一年后的今天见面，然后分手各自准备行程去了。我提醒你们注意，你们千万不要以自己的手表为基准，哪怕你们分手的时候对表对得再精确也没用。你们必须非常精确地算准你们的时空坐标，特别要注意时空运动速度恒定这条铁律，各自必须得小心翼翼地算好自己的空间运动速度会如何影响时间运动速度，否则可就完全不是一个人早到一会儿等另外一个人飞过来就行了。要是速度没计算好，很可能发生一个人到了以后苦苦等待一生，老得牙齿都快掉光了才终于见到了活蹦乱跳的另外一个人。
在星际旅行时代，两个人的岁数再也不是处于一种稳定的状态了，如果像银英传里面那样米达麦亚和罗严塔尔奉命去星际空间打击海盗，这两人指挥着各自的战舰出发了，由于战事激烈，他们在广袤的太空中作战，经常要变幻自己飞船的速度，而且偶尔能刚好在太空中会合一下，互相见见面。于是在以后的日子里面，他们会对每次见面相隔的时间产生完全截然不同的意见，米达麦亚觉得隔了好几个月才又遇上罗严塔尔一次，而罗严塔尔却说我们昨天才刚刚见过面呀。再下一次见面的时候，米达麦亚觉得也就是过了一个礼拜都不到，但是罗严塔尔却坚持称至少过了三个月了，这俩哥们每见一次面就争吵一次。他们得特别小心地控制自己飞船的速度，万一速度太快了，等他们回到奥丁的时候，他们的司令官莱因哈特都过世很多年了。
因此，在星际殖民时代必须要建立宇宙历、宇宙标准时和统一的时空坐标参照系，好在咱们的银河系有一个好处，那就是所有的恒星基本处在相对静止的状态。
我们地球和奥丁星的相对运动速度是很小的，并且我们不妨假设人在奥丁星和在地球上所受到的引力大小是基本相当的，这个也应当好理解，人类不会习惯去一个能使自己体重突然增加好几倍或者轻好几倍的地方长期生活，总还是要在一个人基本能适应的范围内，而这个引力范围对于时空弯曲程度来说是可以忽略不计的。
所以，如果真到了那个在奥丁星殖民的时代，地奥联邦政府可能会同意我的建议，把地球和奥丁星看成是一个大的惯性系，这个惯性系跨越了50光年的时空，在这个50光年的范围内建立时空坐标。以新的宇宙历法规则通过的那天零时为银河纪年元年，仍以一个地球日和一个地球年作为标准宇宙历法的标准日和标准年，在银河纪元元年的零时零分启动一只精心调快过的原子钟，然后把这只原子钟放上星际飞船，以接近光速的速度带到奥丁星，到达以后再把原子钟的频率调节成跟在地球上时一样，于是我们会看到，在奥丁星上的宇宙历生效的那个时刻，原子钟显示的可能已经是：银河纪年50年2月21日13分10秒。因此，奥丁星上有宇宙标准历和标准时的时间是直接从50年后开始的，而不是像地球一样从元年开始。当然，奥丁星上的人必然还是要根据自己的星球的自转和公转日期（奥丁星不一定有月亮，所以可能没有月份的概念）制定自己的地方时，以方便生活。
所以，奥丁星上的手表一般都必须要显示两个时间，一个是标准宇宙历的时间，一个是奥丁历的时间，这些手表还得有一个特殊功能，那就是登上星际飞船后，可以根据星际飞船的飞行速度调节手表的频率，飞得越快，表的频率就得跟着调得越高。
假想一下你在星际飞船上看着时间飞快地跳动，一年一年就在你的眼前像走马灯一样地流逝，你又会产生一种什么样的感觉呢？最要命的是，这些走马灯般流逝的时间并不是幻觉，而是实实在在地发生在地球和奥丁星上真实的时间流逝。地奥联邦政府还有一条不得不颁布的法令，那就是所有的星际飞船上的时间频率调快的行为都必须全部详细记录在案，调快频率后流逝的时间不能被算作年龄的增长，如果不颁布这条法令，那么这个世界的伦理就要彻底混乱了，人们再也搞不清楚谁比谁年龄大了。
以上这些就是最粗略的星际殖民时代的时间观念，对于那些要登上星际飞船的人来说，他们必须要做好十足的心理准备，因为登上飞船的那个时刻就是他们真正告别过去、奔向未来的时刻。星际飞船是一艘真正的时间机器，只不过这部时间机器只能把人带向未来而无法返回过去。一旦登上了星际飞船，那么过去的一切就将过去，对于过去的一切亲朋好友来说，你死了；而对你自己来说，亲朋好友们死了，因为你们此生再也不可能相见了。亲朋好友们向你挥手道别，看着你登上星际飞船的景象，就跟看着你走入棺材是一模一样的心情。各位亲爱的读者，我很想知道，此时此刻的你对于星际殖民时代是感到激动呢还是感到沮丧，过去曾经看到过的所有此类题材的科幻小说和科幻电影是不是都有一点点变味了呢？
星际贸易
如果你刚好是感到沮丧的那大多数人，那么至少接下来我将告诉你一个让你感到振奋的好消息，那就是虽然你告别了过去，奔向了未来，看起来你抛弃了一切，可是你完全可能瞬间拥有巨大的财富。此话怎讲？想象一下，如果你在出发去奥丁前，把自己所有的积蓄拿出来，虽然只有很可怜的1万块钱，你咬咬牙买了一个年化收益率为8％的理财产品，并且约定到期后每年都把本金加利息一起继续投资，然后，你飞向奥丁星，并且在奥丁星逗留了几天又坐飞船返回了地球，此时对于你来说，地球上已经过去100年了，你知道你那1万块钱变成多少钱了吗？做一个简单的复利计算，1.08的100次方就是你最后的本息合计了，当然单位是万，然后再按照5％的平均年通货膨胀率扣除蒸发掉的钱，我告诉你是多少，千万别吓着，是2068万元，你从一贫如洗的无产阶级一下子就变成了千万富翁。还有更爽的，如果你努力一点，找到了一个年化收益率为10％的理财产品（这并非不可能），猜猜看，年化收益率多了2％，看起来多得不多，但是100年后，你1万块钱变成多少了呢？是1亿3千6百49万元，你都不敢相信自己的眼睛了吧，一下子又从千万富翁变成了亿万富翁。“太好了，太好了！”你咬牙切齿地叫到：“这星际飞船我是坐定了，哪怕是棺材，为了我的亿万富翁的梦想，我也非上不可了。”
你忽然明白了，原来利息是这么强大的一个东西啊，我们平时往银行里面存钱一年两年看不出啥来，但是没想到时间一长，这复利的力量还真是强大啊。那么既然你都意识到了利息的重要，对于往来于星际间做贸易的那些精明的商人，他们那更是算计得极其精确的。
在你朴素的观念中，所谓的贸易嘛，不就是投机倒把、低买高卖嘛，我在深圳花10万元买了一批数码相机，到了北京15万元卖光，从中获利5万元，当然可能还要扣掉几千元的运输和住宿、吃饭之类的成本。但总体来说，能不能赚钱的关键在于买卖的差价，差价越高，赚得越多，差价越小，则赚得越少，如果很不幸地跑到北京的时候数码相机的价格还跌破买入价了，你就等着赔钱吧。
在这个观念中，你从来不会考虑钞票的“时间价值”，至少不会很在意。你一般不会去算计这笔钱如果不去做贸易，而放在银行中是不是会赚得更多。但是到了星际贸易时代，如果观念不改变，那可就要大大地吃亏了。想象一下有弟兄俩，同时登上星际飞船从地球去奥丁，哥哥听说黄金的价格在奥丁比地球上贵100倍，哥哥一激动就把所有的1万块钱积蓄全部买了金条准备带到奥丁去卖掉，大赚一笔。但是这个弟弟比较傻，经不住银行那些卖理财产品的销售员的劝说，买了一个年化收益率8％的理财产品。俩人上了飞船后，哥哥一听就嘲笑弟弟太愚蠢了，放着100倍的差价不赚，居然去收那可怜兮兮的8％的利息。俩人飞到了奥丁，哥哥如愿以偿，1万元变成了100万，他心满意足地和弟弟一起坐飞船回到了地球，到了地球才发现，弟弟变成了千万富翁，弟弟的1万元变成了2000多万。
可见，在星际贸易中，金钱的时间价值，换句话说也就是利率，成了最关键的因素。2008年诺贝尔经济学奖得主保罗·克鲁格曼（Paul Krugman）曾经写过一篇论文，题目就叫做《星际贸易学》，发表在2010年3月的《经济探究》上，在这篇论文中，保罗提出了星际贸易学的两大基本定理：
星际贸易第一定理：做贸易别忘了利率，而且计算利息记得一定要用宇宙历，千万别用自己飞船上的时间。
星际贸易第二定理：随着贸易的往来，不同星球间的利率最后一定会趋于一致。
这第一条定理我想你一定看懂了，说得太在理了，要是做星际贸易忘记了计算利息，那简直亏惨了，因为真正做贸易的往往都是先贷款，然后进了货去卖掉，再还银行钱，赚取价格差和利息之间的差价。所以，在星际贸易中，只有价格差足够大，而且足够偿还利息的时候，商人才有利可图。
那第二条定理呢，其实也很好理解，商人们都是精明的，他们很快就会发现星际贸易的成本主要是金钱的时间成本，利率差一点点都是天大的不得了的事情，因为动不动就是50年100年的，所以，赚钱的关键在于两星球之间的利率差异，但是随着自由市场竞争的加剧，价格战的升级，利润会逐步降低，最后的结果一定是导致两星球的利率逐步趋同，只要一边敢稍微提升哪怕一点点利率，那么大量的热钱马上就会涌入进来，这个情况居然跟我们这个时代国家间的利率调整产生的效应也是一样的。
保罗在论文最后得出的结论是，星际贸易中的经济规律在本质上和地球上的国际贸易没有啥太大的区别，虽然相对论效应会在时间和空间上带来许多不可思议的改变，但是在经济学上，相对论却改不了什么，经济学规律貌似凌驾于物理规律之上。不过呢，大多数经济学家也不太懂相对论，他们对保罗的这篇奇异论文也就是一笑了之。至于我们该不该相信保罗，我想这不重要，重要的是我们在茶余饭后多了很多有趣的谈资，我们对这个宇宙又多了一分认识。
在本章中，我们从建立时空这个概念开始，然后由时空我们看到了神奇的时间旅行，再来到广袤的太空做起了星际旅行和星际贸易，希望这趟旅程能称得上我一开始就跟你承诺的“惊奇之旅”。
你可能还意犹未尽，沉浸在时间旅行和星际旅行的遐思中，甚至有点恋恋不舍，难道关于时空的惊奇之旅就这样结束了吗？真的就这样结束了？
哦，我很高兴地告诉你，没有，还没有结束，时空之旅还有最后一段旅程，可能这最后的一段旅程称不上惊奇，但我敢保证，最后这段旅程绝对是一场思维的盛宴，它将挑战你想象力的极限，这是相对论的最高潮部分，就像伟大的贝多芬第九交响乐的最后一个乐章《欢乐颂》一样，旋律和节奏都没有任何的惊奇之处，但是它所展现出来的恢弘和气势，堪称人类交响乐史上的喜马拉雅山。如果真有一个上帝的话，那么我们时空之旅的最后一段将要照耀出来的人类理性的光辉，必会让上帝都感到夺目。
我们将在下一章体会相对论的高潮，同时揭秘2005年国际物理年标志的含义，为什么全世界的科学家会选择用这个标志来纪念相对论诞生100周年呢？
图7-12国际物理年标志