跟随霍金 畅想四维空间
三百年前,上帝把天才伽利略要回去了,第二年他送来了艾萨克.牛顿,三百年后他要走伽利略的那一天,又送来了一个天才----斯蒂夫.霍金。
斯蒂芬·霍金诞生于1942年1月8日,恰好是伽利略逝世300周年,英国剑桥大学应用数学及理论物理学系教授,当代最重要的广义相对论和宇宙论家,是当今享有国际盛誉的伟人之一,被称为在世的最伟大的科学家,还被称为“宇宙之王”。70年代他与乔治.彭罗斯一起证明了著名的奇性定理,为此他们共同获得了1988年的沃尔夫物理奖。他因此被誉为继爱因斯坦之后世界上最著名的科学思想家和最杰出的理论物理学家。
霍金的理论,是基于严密的数学和物理推算的,一般人是很难懂得那些冗杂的数学公式的,但他的《时间简史》却用很通俗的语言诠释了爱因斯坦的相对论和其它诸如黑洞、夸克、反物质等知识。读完这本书,我才明白相对论所说的引力的本质实际上是大质量的物体引起的时空弯曲的道理,反映到物体运动上就是引力的表现。
物体质量大了,比如说太阳、星球等,造成了周围的时空扭曲,周围的物体也会由直线运动变为圆周曲线运动,这就是引力的本质。另外霍金带领我们遨游外层空间,对遥远星系、黑洞、夸克、“带味”粒子和“自旋”粒子、反物质、“时间箭头”等进行通俗易懂的讲解,并对宇宙是什么样的、空间和时间等古老问题做了阐述。
最近又看了霍金参与拍摄的纪录片《和斯蒂夫.霍金遨游宇宙----时间旅行》,内容更加有趣、易懂。他说道:时间旅行可能吗?我们生活在三维空间里,可以随意在三个维度上移动,开着车子左右转弯、上坡下坡、前进后退都能够轻易实现,但是你不能在时间维度上随意奔向未来或是回到过去。能否开启回到过去或是通向未来的大门?.
霍金首先假设如果有一台时间机器,他想去拜访玛丽莲.梦露,或是去看望伽利略,还想去宇宙的末日,看看宇宙是怎样终结的。然后把这些设想从物理学角度判断能否实现。
关于时间旅行话题的电影,往往会设置一个能耗巨大的机器,这台机器能够打开穿越第四维—时间的通道。主角通过这个隧道能够进入未知的时代。物理学的法则使物理学家们思考了一个概念:虫洞。霍金接着说,我们身边就有很多虫洞,他做了一个比喻,一个台球表面非常光滑,但是进入一定的微观尺度后,就会发现光滑的表面并不光滑,而且有很多凹凸不平和瑕疵。
同样的法则在四维空间上同样存在,在微观尺度上时空也会有很多细小的虫洞,存在于时间和空间的每一个角落。
你如果能够进入比原子还小的尺度,就能够看到所谓的量子泡沫,虫洞就存在于这个地方。这些细小的通道可以穿越时间和空间,它们在量子世界中不断消失、形成、再消失。连接着两个不同的时间点和空间点。
这些真实存在的隧道尺度很小,只有10-33厘米,不足与通过人类大小的物体。但是引发出来幻想的虫洞型时空机器。有些科学家认为可以截获一个这样的虫洞,把它放大亿万倍,以供人类通过,在时空中穿梭。
霍金相信,只要有足够的能量和先进的科技,是可以制造一个足够大的虫洞的。如果一端在地球的附近,另一端在离地球非常遥远的其他星系,人类就可以实现非常遥远的旅行。如果设置的地点相同,时间点不同,穿越虫洞以后就可以回到遥远的过去,恐龙就有可能目睹人类从天而降。
紧接着霍金给出了一个简单的实验方案:来证明现在甚至是未来人类通过虫洞进行时间旅行是否确有可能。霍金搞了一个香槟酒舞会,欢迎来自未来的时间旅行者,在舞会开始之前,他没有告诉任何人。他准备了一份请柬,上面注明了详细的时间和空间的坐标,他期望这份请柬不管以何种方式,都能够流传到千百年以后,或许未来有一天,有人可以看到这份请柬,用虫洞型的时间机器来参加他的香槟舞会。
证明时间旅行在未来的某个时段是可以实现的。邀请的客人们随时都有可能光临,遗憾的是,没有人来。看到这里,我们也会想到,在生活中确确实实没有碰到过来自未来的时间旅行者。
为什么这个实验会失败,霍金给出了原因,即时间悖论,一个非常著名的悖论就是祖父悖论:一个人回到过去,杀死了他的祖父,他自己又是怎样产生的呢?像这样的悖论使众多宇宙学家们怎么也解释不通。这种时间机器会破坏整个宇宙的最基本法则:起因注定要发生在结果之前,绝对不能本末倒置,事务不可能否定自己的存在前提。
归根到底,霍金认为这种虫洞是不存在的,因为它会引起时空的“啸叫”。麦克风常常会发出刺耳的尖叫声,成因很简单,声音传进麦克风,被电线传导然后放大,再从音响里放出来,然后这声音再次被传进麦克风,反复经过这样的循环,每次都让声音变得更大,最终若没人阻止便会摧毁音响系统。
这种现象在虫洞中也同样存在,只不过辐射代替了声音。
虫洞打开的瞬间,自然界的辐射会进入其中并形成循环,辐射啸叫会变得无比强烈直至摧毁虫洞。霍金说,虽然微小的虫洞确实存在,也许某天可能把它们放大,但是无法维持足够的时间作为时间机器使用。这是没有人能够来参加舞会的原因。
霍金认为,无论是从虫洞还是采用其他方法回到过去的可能性基本没有,否则会产生悖论。但是针对悖论,一些科学家给出了其他的观点,那就是平行宇宙的概念,美国电影《生死频率》对这个理论诠释的非常透彻。霍金接着给出了下面的说法,并不是所有的时间旅行都是不可能的,人类可以采用一些办法到未来去旅行,这个方法就是使自己的时间尺度变慢。
时间就像一条河流一样,无情地把我们每一个人推向下游,在河流里不同的地点流速也不同,时间也一样,这是通向未来的关键所在。
100年前,爱因斯坦提出在某些地方时间会变慢,另外一些地方时间则会变快。在我们的头顶上,GPS卫星离地球距离远,通过实验证明了时间在那里要比地球表面快。据测量,卫星里的时钟无论经过如何校准,他们每天都会快30亿分之一秒。
产生这种现象的原因就在于地球的质量。爱因斯坦发现质量会影响时间,物体越重对时间的影响越大。如果你处在一个质量大的物体旁边,你的时间将会变慢,而相对于别的地方时间则会变快。霍金假设,如果人们绕着银河系中心的黑洞-----宇宙中的质量大块头,想当于400万个太阳质量,这就是自然生成的时间机器,霍金想象着有一天人类可以驾着飞船,围绕着这个黑洞旋转,当然首先要有足够的速度,避免被黑洞吞噬。
如果飞船绕黑洞一圈需要8分钟,那么在地球上的指挥中心里已经过了16分钟。船员们所花费的时间只有远离黑洞地方的一半,他们已经是在穿越时间了。如果他们围绕黑洞飞行了5年,那么当他们穿越空间回到地球时,地球上已经过了10年,于是他们就进入了未来。所以超大质量的黑洞本身就是时间机器。与虫洞相比,它不会产生悖论,也不会产生辐射“啸叫”。
最后一个也是最可行的制造时间机器的办法就是用极高的运动速度实现,宇宙中还有一个奇特的定律:宇宙拥有自己的极限速度-----光速,任何物体的运动速度都不可能超过光速,只要接尽光速运动,就能够进入未来。霍金设计了一条环绕地球的高铁,上面跑着一列高速运行的动车组,给这列动车加速,尽可能的接近光速,每秒钟绕地球7圈,车上的旅客都有一张通向未来的单程车票,这时画面上的列车经过白雪皑皑的南极,埃及金字塔旁边的沙漠,一群骑着骆驼的贝都因人在注视着这列奇特的列车,还有浩瀚的大洋。
霍金提醒说,无论这列列车如何加速,它都不可能超过光速。只能是接近光速,这时会产生奇特的现象,相比地球上其他的地方的时间,动车上的时间变慢了。
列车上所有物体的运动都会变慢,在这里霍金又提出一个问题:如果动车上有个小孩从车尾跑向车头,他的速度加上动车的速度会不会意外地突破光速呢?很快霍金给出了否定的答案,自然法则让车上的时间变慢,避免了这种情况的发生,无论他怎样奔跑,都不会突破光速。
假设列车在2050年1月1日出发,在2150年的1月1日停靠车站,车上的旅客则仅仅度过了一周的时间。他们用了一周的时间来到了100年以后的世界。不过建造这么一列动车真不容易,且不说动力,现今的技术尚且解决不了极度高速下空气动力学面临的问题。但是人们可以建造一种东西,跟这种列车相似,那就是粒子加速器。
位于瑞士日内瓦的欧洲院子研究中心的粒子加速器是全球最大的粒子加速器,在地下深处有一条25.6公里的环形通道,上万亿个微粒组成的粒子流在这里运行,它们能在不到一秒的时间内从静止加速到96000公里的时速,随着能量的加大,它们很快就能接近光速,霍金又一次提醒道,它们永远也不可能达到光速。
粒子流已经开始时间旅行了,有一种寿命极短的粒子叫Л介子,正常情况下它们只会存在250亿分之一秒,但是当它们接近光速时,它们的寿命延长了30倍。因此说这些粒子是真正的时间旅行者。
只要人们加速,接近光速,就能够进入未来,霍金给出了可行的方法:进入太空,人类历史上最快的载人工具是阿波罗10号飞船,它可以达到时速40000公里,但是要实现时间旅行,还要提速2000倍才行,要做到这一点,人类需要一台巨大的飞船,足以容纳巨量的燃料,以便逐步加速到接近光速,要想接近光速,开足马力也得需要六年的时间,到那时飞船上的24小时相当于地球上的一年,时间变慢还有一个好处,那就是在一个人的有生之年有可能飞到宇宙的边缘,飞往银河系的尽头需要八十年时间。
最后霍金说道,宇宙旅行的最重要之处是使我们了解到我们的宇宙是多么的奇妙,既有大块头的黑洞,又有微小的虫洞,只要能够理解和运用物理法则,人类就可以实现时间旅行。
多么奇妙的影片,看来霍金认为回到过去是不大可能的,但是可以单向地到未来旅行,看了这个影片,你就不要再去买高层的房子了,因为住在那里老得快。子在川上曰,逝者如斯夫,既然不能回到过去,也就不能改变过去,就没有必要为打翻的牛奶哭泣,正视现在,面向未来。
