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霍金帶你尋找第四維空間 探索如何穿越時空【引用】  

2010-09-28 12:17:48|  分类: 地球未来-外星文 |  标签: |举报 |字号 订阅


 霍金带你寻找第四维空间 探索如何穿越时空

霍金带你寻找第四维空间 探索如何穿越时空 - LULUMACHA - lulumacha’s blog

霍金帶你尋找第四維空間 探索如何穿越時空【引用】 - LULUMACHA - lulumacha’s blog
 
霍金帶你尋找第四維空間 探索如何穿越時空【引用】 - LULUMACHA - lulumacha’s blog

  


霍金帶你尋找第四維空間 探索如何穿越時空【引用】 - LULUMACHA - lulumacha’s blog

史蒂芬霍金


  你好,我是史蒂芬霍金,一个物理学家,宇宙学家,也算是个梦想家。虽然我行动不便,而且需要借助电脑说话,但我的思想是自由的,自由地遨游宇宙并探究那些终极谜题,比如:时间旅行可能吗?我们能否开启通往过去的大门开辟前往未来的通道?最终我们能否利用大自然的法则,执掌时间的进程呢?

如果我有台时间机器,我可以拜访正当妙龄的玛莉莲梦露,或是在伽利略用望远镜观测宇宙的时候去串个门,可能我还会前往宇宙的末日看看我们的整个宇宙将会如何终结,要判断这种想法是否可行,我们就要从物理学家的角度出发,把时间看成第四维。

这并没有听上去那么深奥。所有的物体存在都是三维的,包括轮椅上的我,

任何物体都有特定的长度、宽度和高度,但除此以外还有另外一种“度”,这个度就是时间。

正常人一般可以活80年,位于英国著名石头阵的这堆石头却能存在长达数千年之久,而太阳系则能存在数十亿年光景……

任何东西在时间上都有个“度”,正如在空间上一样。而时间旅行就意味着要穿过第四维时空。

要理解这个概念并不难,我们就拿日常的开车来打比方吧。

飙快车总是能带来更多乐趣,笔直前进意味着你穿过了一个维度,转左或转右时就穿过第二个维度,在弯曲的山路上爬上爬下带来高度的变化就是在第三个维度上穿行。但我们怎样才能穿过时间呢?怎样才能找到穿越第四个维度的方法? 

虫洞型时间机器

让我们换一个话题来谈谈科学幻想。

关于时间旅行的科幻电影通常会说到一个能耗极高的巨型机器,这台机器能打开一个穿越第四维时空的通道,也就是时间隧道。一个时间旅行者、勇敢或者说有些莽撞的人做好了应对未知情况的准备,他踏进了这个时间隧道前往一个未知的时代……这个想法可能有点牵强,现实情况也可能与此大相径庭,但这个概念本身并不疯狂。

物理学家们也一直在思考时间隧道的问题,但切入的角度完全不同,我们想知道的是通往过去或是未来的通道是否能在自然法则下存在。思考的结果是,我们认为有这个可能,而且,我们甚至给它起了个名字——虫洞。

事实上,在我们身边到处都是虫洞,只不过它们太小,我们看不到而已,虫洞非常之小,它们存在于时间和空间的每一个角落,你可能觉得这难以理解,但耐心往下看你就会明白了。

任何东西都不是彻底平滑没有空隙的,如果你能近距离看一样东西,你会发现上面有小洞和裂痕,这是一个基本的物理法则,就连时间也是如此。

比如桌球台,台面看起来又平坦又光滑,凑近来看就完全不一样了,上面满是缝隙和小孔,就连台球这样看似光滑的东西,放大后看也有细小的裂痕、皱褶和瑕疵。要在三维世界中理解这一点很容易,但请相信我,在四维世界中它同样成立,在时间之中也存在着细小的裂痕,皱褶和瑕疵。

让我们进入最小的量度范围,甚至比分子还小,比原子还小,这时我们就可以看到所谓的量子泡沫,虫洞就存在于这个地方。这些细小的通道也可以说是“捷径”能穿越时间和空间,它们在整个量子世界中不断地形成、消失、再形成连接着两个不同的空间点和不同的时间点。

很不幸,这些真实存在的时空隧道只有10的负33次方厘米大小,人类根本不可能借此通行,不过这倒是引出了虫洞型时间机器的概念。有些科学家认为,我们可以截获这样一个虫洞然后将它扩大数亿亿亿倍,足以让一个人、甚至是一艘太空船从中通过,只要有足够的能源和超前的科技,或许还可以在宇宙中制造出巨大的虫洞。

我不是说一定能实现,但如果真的可行,那将是一项非常了不起的创举,它的一端在距离地球不远的地方,另一端则位于一颗离我们无比遥远的行星附近。

理论上说,虫洞还可以有更多的用途。如果虫洞的两个端口,设置的地点相同,但时间不同,那飞船穿越虫洞之后将仍然停留在地球附近,但却回到了遥远的过去,或许恐龙还可以目睹这艘飞船的从天而降。

 

霍金帶你尋找第四維空間 探索如何穿越時空【引用】 - LULUMACHA - lulumacha’s blog 

 史蒂芬霍金欢迎来自未来的时间旅行者的派对实验

 

 时间旅行实验

我知道四维时空的这个概念确实很难理解,而虫洞的复杂概念那就更令人摸不着头脑了。不过先别急,我想出了一个简单的实验来证明在现在甚至是在未来,人类通过虫洞进行时间旅行是否确有可能。

我喜欢简单的实验,也喜欢香槟酒,所以我把我最喜欢的两样东西放在一起,看看我们到底能否从未来穿越到过去。

我搞了一个派对,欢迎来自未来的时间旅行者。但不同之处在于,派对开始以前我没把这件事告诉任何人,在这个派对的请柬上,说明了确切的时间和空间坐标。

我复印了多份派对的请柬,希望在数千年后有人可以看到这份请柬,然后用虫洞型的时间机器来参加我的派对。

我邀请的客人们可能随时都会光临,我期待有人会开门进来,五、四、三、二、一,真遗憾,到了派对开始的时间,没有任何人前来光临派对,我还盼着未来的环球小姐会开门翩翩而入呢。

为什么这个实验会失败呢?我想其中一个原因就是当你穿越到过去的时候就会产生一个众所周知的问题,谬论问题。

谬论十分有趣,有一个非常出名的悖论就是祖父谬论(祖父谬论:回到过去,在祖父生你父母之前把他杀了,因此你不能出生,跟不能回到过去杀你的祖父),

我有一个更简单的试验新版本,我称之为“科学狂人谬论”。我不喜欢在电影中科学家总是被刻画成疯子,但在这个试验版本中却必须这么做:这个家伙决定制造一个谬论,就算付出生命也在所不惜。

想象一下他用某种手段造出一个虫洞,这个时间隧道能返回一分钟前的世界,听起来没什么大不了,但实际上往回一分钟就足以捅出大篓子了。通过虫洞科学家可以看见一分钟前的自己,如果这位科学家通过这个虫洞开枪打死一分钟前的自己呢?

现在他死了,在他组装好手枪之前就死了,那么到底是谁开的枪呢?这就是一个谬论,无论如何都解释不通,像这样的情况总是让宇宙学家们睡不好觉。

这种时间机器会破坏主宰整个宇宙的最基本法则,那就是起因一定发生在结果之前,绝不能本末倒置,我相信事物不可能否定自己的存在前提,如果可以的话,那么就没有任何人可以阻止宇宙陷重回混沌。所以我认为,总是会有一股力量阻止谬论的发生,一定存在着某种原因使得我们的科学家绝不可能开枪把自己打死。

在这个例子中,我必须承认虫洞本身就是问题所在,归根结底我认为这种类型的虫洞是不可能存在的,原因就在于“反馈”。

如果你听过摇滚音乐会,你应该会记得这种刺耳的声音,这就是“反馈”,其成因非常简单:声音进入麦克风,通过电线的传导,被扩音器放大,声音从音箱里放出来,但又再一次通过麦克风传导到音响,一次又一次经过这样的循环,每一次都让声音变得更大。如果没人阻止,“反馈”就会让音响系统彻底崩溃,我认为同样的事情也会发生在虫洞中,只是辐射取代了声音。

当虫洞打开的瞬间,自然界的辐射会进入其中并形成循环“辐射反馈”会变得无比强烈,导致虫洞瓦解,所以虽然微型的虫洞确实存在,也许某天我们真的可以将其放大,但它无法维持足够长的时间作为时间机器使用,那就是没人来参加派对的真正原因。

事实上我认为,不管是通过虫洞还是通过其它方法,我们基本上都是不可能回到过去的,不然的话就会产生谬论。

 

超大质量黑洞就是时间机器

很可惜,现在看来穿越时间回到过去是不可能的了,那些梦想狩猎恐龙的人会很失望,而史学家倒能松一口气。虽然如此,但并不是说任何时间旅行都不可能,我还是相信有时间旅行的,通往未来的时间旅行。

时间就像一条河流,它无情地把我们每个人向下游推进,但时间在另一方面也很像河流,在不同的地方,它的流速也会不同,而这就是前往未来的关键所在。

这个概念是100多年前由爱因斯坦提出来的,他意识到在某些地方时间会慢下来,而在另一些地方时间则会加快,他的想法完全正确,证据就在我们头顶上,在太空之中,这就是全球定位系统,简称GPS。

这个网络由绕地球轨道运行的31颗人造卫星组成,这些卫星使卫星导航成为可能,但它们同时也证明了时间在那里过得比地球表面上要快。在每个这种卫星上都有个非常精密的时钟,但无论有多准,它们每天全都会走快三十亿分之一秒,系统必须纠正这个误差,否则这个误差会影响整个系统,导致地面上的所有全球定位设备每天都会产生9.6公里的偏差。

问题并不在于时钟,走得快是因为那里的时间流逝得比地面上要快,产生这种奇异现象的原因在于地球的质量,爱因斯坦发现物质会影响到时间,物体越重,对时间的影响就越大,这个神奇的现象为通向未来的时间旅行开启了大门。

我知道这个概念理解起来并不容易,现在我们来看个简单的例子。

吉萨的大金字塔,它有4000多万吨重,跟所有的重物一样,它其实也在减缓着时间的流逝,虽然效果很不明显,还不及地球的几十亿分之一,但如果把这种影响放大后再看你就会看到它的运作机理。

接近金字塔的地方时间的流动相对其它地方来说稍微慢一些,如果金字塔附近的人看外面的世界会怎么样呢?他们肯定会看到相反的情况,因为他们自身变慢了,而远处的时间则相对变快了,这是金字塔的巨大质量带来的影响,这种畸变就为通往未来提供了可能性,要想实现时间旅行的话,我们需要一个质量比金字塔大得多的物体,而我知道有这么个东西。

在银河系的中心,距离我们26000光年的地方,在大量的气团和群星之间隐藏着全银河系最重的物体,那是一个“超大质量黑洞”,其质量相当于400万个太阳,被它自身的引力压缩成了一个小点,离黑洞越近,引力也就越强,如果离得太近的话,就连光都无法逃逸。因此它就成了一个直径2400万公里的黑暗球体,这样巨大的黑洞,会对时间产生意想不到的效果,它对时间的延滞作用,远远超过银河系中的任何物体,它就是一个自然生成的时间机器。

我总是想象着有一天我们的飞船可以接近这个神奇的地方,对黑洞加以利用,当然我们首先要避免自己也被吸进去。我认为最好的方法就是飞到它边缘外侧不远的地方,以免被吞没,他们必须精确地设定好航向和速度,否则就再也回不来了,只要处理得当,飞船将会环绕黑洞。沿着直径长达4800万公里的圆形轨道运行。

飞船在这里比较安全,它的速度可以保证让自己不会离黑洞越来越近,如果航空航天局从地球上或者其它远离黑洞的地方指挥这个任务,他们会看到飞船沿轨道运行一周要用16分钟,但对于飞船上的勇敢者来说因为距离黑洞很近时间会因此变慢,这种变慢的效果将会比金字塔或是地球附近显著得多。

飞船上的时间流速只有其它地方的一半,本来16分钟绕轨道一周,但在他们看来只用了八分钟,飞船就这样不断飞行,而船员们所花的时间相比远离黑洞的地方,只有一半而已,这时飞船和它的船员就在穿越时间了。

试想他们绕着黑洞运行了五年,这就相当于其它地方的十年,他们回到地球时,那里的所有人都会比他们年长五岁,也就是说飞船上的人将会回到未来的地球,他们的这次旅行不只是穿越了空间,还穿越了时间。

所以“超大质量黑洞”本身就是时间机器。

 

最后一个建造时间机器的方法

但事实上可操作性并不强,它和虫洞相比更有优势,因为它不会产生时间谬论,也不会在“辐射反馈”中自我毁灭,但它十分地危险,它距离我们太远,而且无法实现大跨度的时间旅行。幸运的是还有其它的方法可以穿越时间,而这也是我们最后一个、也是最可行的建造时间机器的方法。

穿越第四个维度绝对不是什么容易的事,但事实上却有一个极其简单的方法可以实现,你只要以极高的速度运动就可以了。

宇宙拥有自己的极限速度,每秒29.9万公里,也就是众所周知的光速,任何东西都不可能超越这个速度。我知道这听起来很奇怪,但相信我,这是科学领域中最确定的法则之一,信不信由你,只要接近光速运动就可以前往未来。

要解释其中的原因,先让我们构想一个科幻小说里的交通运输系统,想象一条围绕地球修建的轨道上面跑着一列超高速列车,我们让这列假想的列车尽可能去接近光速,看看这如何能让它成为一台时间机器。

车上的旅客都有一张通往未来的单程车票,列车开始加速,越开越快,越开越快,不久后它就在绕着地球一圈又一圈地运行。要接近光速就意味着要以极快的速度绕地球运行。

每秒钟要跑七圈,但无论列车动力如何强劲也绝不可能达到光的速度,因为这违反物理法则,那我们就设法接近光速,尽可能靠近极限速度。

这时一种奇特的现象开始发生,相比地球上的其它地方,列车上的时间流速相对较慢,就像在黑洞附近一样,效果甚至更明显。

列车上所有物体的运动都会变慢。其中的道理并不难理解,试想车上有个小孩朝车头跑过去,她的奔跑速度再加上列车自身的速度,是否会意外地突破极限速度呢?答案是不会。

自然法则让车上的时间变慢,从而避免这种情况的发生,所以她无论怎样奔跑也无法突破极限速度。时间总是会适合地放缓不让你打破速度上限,利用这个特性我们可以通往遥远的未来。

假设列车在2050年1月1日出发,一圈又一圈环绕地球走了100年,在2150年的新年时分它靠站停车,而旅客们只经历了一个星期的时间,因为车内的时间流速非常缓慢,当他们走下列车时会发现整个世界与自己出发时已经完全不一样了。他们用一周的时间就来到了100年后的世界。

 

真正的时间旅行者

不过,建造一列如此神速的列车是不太可能的,但我们还是可以建造一个跟这种列车相似的东西,那就是位于瑞士日内瓦欧洲核子研究中心的全球最大的粒子加速器。

在地下深处,有一条25.6公里的环形管道,上万亿个微粒组成的粒子流在这里运行,接通电源之后它们就能在不到一秒的时间内从零加速到时速96000公里,加大能量的话,粒子流会越来越快,最终粒子流一秒就能绕管道11000圈,几乎达到了光的速度。

但就跟列车一样,它们永远不会达到那个极限速度,顶多只能达到99.99%的光速,在这样的情况下粒子流已经可以开始时间旅行了,我们能确定这一点是因为有一种寿命极短的粒子叫"π介子",正常情况下它们在250亿分之一秒内就会瓦解,但当它们达到接近光速时其寿命就延长了30倍,这些粒子是真正的时间旅行者。

就是这么简单,如果我们想要前往未来世界,只要加快速度,快到极致。我觉得要实现这一点的唯一方法就是前往太空,人类历史上速度最快的载人工具是阿波罗10号,它最快可达每小时四万公里,但要时间旅行我们还要提速2000倍以上才行。

要做到这一点,我们需要一艘比它大得多的飞船,一台真正的巨型机器。

飞船要大到足以容纳巨量的燃料,足以让它逐步加速到接近光速。

要让飞船尽可能接近极限速度即便是开足马力也要用上六年的时间,最初的加速会比较缓慢,因为飞船实在太大太重,但此后它会慢慢提速,短时间内就能飞出很远的距离。一周后它就会飞抵太阳系的带外行星,比如巨大的气态行星海王星,两年之后,它会加速到光速的一半,而且已经远离我们的太阳系了,再过两年后它就能够达到光速的90%,并且经过离我们最近的恒星系统人马座阿尔法星系,大约离地球有48万亿公里,发射的四年之后飞船就开始了时间旅行,飞船上的一个小时就等于地球上的两个小时,跟环绕巨型黑洞飞行的那艘飞船非常相似,但好戏还在后头,再经过两年的全力加速,飞船将达到它的最高速度,也就是99%的光速,在这个速度下,飞船上的一天时间就等于地球上的一整年,我们的飞船将真正地飞向未来……

时间变慢还有另外一个好处,那就是在理论上我们可以在人的寿命范围内进行超长距离的旅行,飞往银河系尽头只需要80年的时间。但此次旅行最重要的地方在于它揭示了我们的宇宙是多么地奇特,在宇宙的不同地方时间流逝的速度都不尽相同。

我们所知的最极端的物体巨型黑洞能够让时间和空间发生扭曲,而在这个宇宙中微型的虫洞又无处不在,在这里,最终只要我们能开发出适用的技术,我们就可以利用我们对物理法则的理解成为这第四维时空中的时间旅者。

北京电视台BTV青少频道《探索》栏目2010年 9月27日首播《史蒂芬·霍金宇宙大探索:时间旅行》【文稿來自網絡】

 

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