霍金的时空指南

十三维
2018-03-18 看过
如果你想要通过一本书,迅速了解「我们从哪里来?到哪里去?或「宇宙是由什么组成的?」,这几个终极问题,霍金的《时间简史》是一本最佳旅行指南。

探讨宇宙的由来和本性似乎无助于日常生活,却是所有时代人类共同关心的话题。霍金这本有史以来最畅销的科普书,本身就证明了:对宇宙的好奇和理解,是人类与生俱来的本性和目标。本文会从四个方向、九大关键词带你走进霍金的宇宙。


一、宇宙图景
人类关于宇宙的图景是怎样变化的?

1. 宇宙观念的变迁

要得到宇宙本身清晰的图像,单靠逻辑思辨,或恢宏的想象力都是不够的。如果没有新的科学工具,包括观测工具和理论工具,人类大概会一直停留在「天圆地方」或「无限乌龟」的宏大视觉里。

从亚里士多德和托勒密的地心说,再到伽利略和哥白尼的日心说,望远镜的发明打开了星空的大门。宗教中以地球为中心的完美宇宙开始动摇。但人类关于宇宙本身——时间和空间的本性依然所知甚少,如鱼儿最难知于水。我们还需要强大的理论工具。

于是牛顿来了,黑暗的宇宙一片光明,三定律和万有引力解释了天上地下的运动。恒星也不再永恒,但宇宙本身还是静止着,被上帝装在一个绝对时空容器里。20世纪初,爱因斯坦来了,一个相对性时空让你我每人手里都有了一座小时钟,宇宙本来借此想动起来——但他老人家觉这样太胡闹了,于是引了一个常数让宇宙又重新静了下来。

人类继续升级观测工具。新的哈勃望远镜不顾及情感问题,漂亮地看到了遥远星系的光谱红移——这意味着它们在距离我们远去,确凿证实了宇宙在膨胀。爱因斯坦知道后,懊恼摘掉了这个画蛇添足的「最大错误」——就让它轻一点吧,相对论的方程那么美,探索宇宙它可是主力,我们对宇宙的观念此刻已注定因它而彻底改变。


2. 相对性时空

相对论是自牛顿以来对人类时空观念影响最大的思想革命,专利员爱因斯坦仅凭纸笔,就开辟了现代物理的半壁江山。从此理论物理开始盛行,理论先于经验成为可能,被科学史家誉为科学「范式转移」的典范。

假想一下:一个小球在飞速的火车里上下弹跳,小球有没有在向前运动?

相对性运动
相对性运动


从车上人看,小球两次落在同一处,是静止的;但从车外来看,小球第二次落地已经向前走了十多米。——结果因为参照系选取不同,你无法确定一个物体是不是在运动。但从麦克斯韦电磁学开始,人们发现了并证实了光速有限,这意味着光速不需要依赖于某种特别参照。于是物理学家们,假想了一种叫「以太」的物质充斥宇宙,作为运动的绝对参照。甚至,在面对20世纪物理学第一朵乌云:迈克尔逊-莫雷实验结果与以太飘移矛盾时,洛伦兹最先给出了两个不同参照系间的运动方程——洛伦兹变换,以保全以太的存在。

爱因斯坦觉得这并不美。他意识到人们保留以太仅今是因为心中根深蒂固的绝对时空观念:永恒不变的空间里,时间错落有致、均匀流逝着。他三下五除二,仅保留两个基本假设:

1. 光速不变原理:真空中光速与任何参照系无关。
2. 同时的相对性:「同时发生」和参照系选取有关。

就漂亮地推导出了所有物理结果。这*观念和美感的伟大胜利。从狭义相对论出发,可以得出以下有趣结论:

- 时间相对于空间:运动越快,物体时钟越慢。「天上一日,地上一年」不再是神话
- 尺缩效应:物体越接近光速,质量则愈趋于无穷,在别人看来,它会瘦成一道闪电
- 质能方程:e=mc^2 ,从此物质和能量是一家,核武器和核能源的基础

在狭义相对论世界中,物体运动状态是由四维时空确定的,以物体为中心的事件,在时空中像水的涟漪一样散开。传递事件信息的光在四维时空里形成了一前一后两个圆锥——光锥。由于光速是宇宙速度极限,所以一个物体所有可能性都在光锥里了:光锥外的任何存在都不能影响这个事物。

时间光锥
时间光锥


但爱因斯坦还不满足。因为即便在狭义相对论中,两个物体之间只要距离改变,彼此间的引力就会立刻改变。这让引力效应可以超越光速。他又通过广义相对论进行了更深刻的革新,让原本被动的「物质」也嗨了起来:

> 时空告诉物质怎样运动,物质告诉时空怎样弯曲。

在广义相对论里,物体本身的质量,会影响周围时空曲率,而时空结构本身反过来影响物体运动状态。经典物理中,物体状态改变,是因为受到了外力作用,譬如重力。但爱因斯坦认为,重力-引力就等价于时空弯曲,引力场产生加速度,让物体运动改变,和受外力作用一样。

引力偏折
引力偏折


这个自信「必然正确」的结果,果然被水星近日反常、日食恒星光线偏折等实验证实。于是牛顿物理学只能屈居在后,成为相对论在低速、弱引力场下的近似了。

广义相对论还能做出了许多惊人的结论和预测,其中最让我们关心的就是宇宙的命运。

3. 宇宙的起源与命运

开始已提到,即便广义相对论已经能推导出动态宇宙,先锋如爱因斯坦,也觉得这太不稳而给加了一个常数,面对哈勃观测结果,才终于承认错误。

又一个观测结果来助阵:宇宙背景微波辐射的发现。这种宇宙背景的「底噪」没有任何方向性:不论在什么地方、往哪个方向,宇宙看起来都是一样的。此外还有一个氦丰度一致的证据。人类终于开始意识到:宇宙不是静态的,它像我们一样,有自己的起源和归宿。

与静态宇宙观相对的,被称为「大爆炸宇宙」学说。这意味着宇宙在时间上有一个开端。物理学家弗里德曼对此进行了探讨,他推测了三类宇宙结局:

 - 静止:宇宙膨胀后将停止,维持某种稳态
 - 大挤压:宇宙膨胀后会收缩
 - 大撕裂:宇宙将一直膨胀下去

到底哪种将是我们宇宙的结局?霍金和好搭档彭罗斯,一起通过研究爱因斯坦场方程得到了重大进展:

 1. 奇点定理:任何坍塌必须终结于一个奇点——一个没有体积和大小、能量无穷大的点
 2. 当宇宙「膨胀得快到足以避免重新坍缩」时,一定存在过一个奇点。
 
奇点
奇点


宇宙是始于一个奇点,并终于一个奇点吗?现在能已给出回答。1998年,物理学家从观测超新星得到的数据得出,我们的宇宙在加速膨胀(并导致暗能量的发现)。这说明我们宇宙是起源于奇点,并暗示了很可能走向第三种结局:大撕裂。

但我们要清楚,目前所得到的结论,都是通过理论——爱因斯坦相对论得到的结果。在研究宇宙的过程中,相对论是重要、但不是唯一的工具。另一个相当重要的工具是量子论。将二者结合是所有物理学家的终极理论之梦。


二、空间
空间里有什么?有我们的宇宙,基本粒子和几种基本力,当然,还有神秘的黑洞

4. 波粒的不确定性

相对论彻底革新了我们的时空观。但如果要问:物质是什么?由什么构成?目前回答最好的是量子论。

对物质的的基本构成,中国有阴阳五行,有「一尺之棰,日取其半,万世不竭」,古希腊则有四元素说,有「芝诺悖论」。这些古代先贤们都陷入了这样的困境:觉得物质应该有一种基本构成,但又觉得在逻辑上总可以无限可分。这个问题就一直悬着。

物质研究的深入,还是从牛顿开始。他通过三棱镜发现了光的色散,认为光也是一种物质粒子。然而随着惠更斯的波动力学和麦克斯韦的电磁现象进展,「波动派」渐渐占了上风,光被认定是一种「电磁波」。故事到此结束了吗?

20世纪初,物理学天空升起来另一朵乌云:黑体辐射异常。理论和实验结果严重不符,物理学大厦岌岌可危。此时物理学家普朗克,破天荒地提出:辐射的能量不是连续的,而是「离散」的数值,从而化解了矛盾。在这个影响深远的思想下:
 
 - 物质不再是无限可分,一切长度、包括时间都有最小单元——即「普朗克常数」。

 一举解决了古代哲人们的千年玄思,奠定了量子力学的基础。

伟大的爱因斯坦继往开来,借此发现,光电效应下,光的表现和粒子毫无二致,因此认定:「光既是粒子,又是波」——即「波粒二象性」。最后德布罗意宣布:一切粒子,包括质子、电子、中子……都既是粒子也是波,它们,都是「物质波」。

粒子轨迹
粒子轨迹


物质波怎么个理解法?它是一种概率波。薛定谔和海森堡先后证明,作为物质的粒子,都服从波函数的分布(薛定谔方程)。一个粒子,在微观上,它没有固定的位置和速度。它可能一会儿远在天边,一会儿近在眼前。只有你观测后——它才安定下来。更奇妙是,你测量位置越准,速度就越测不准(测不准原理)。

离散性、二象性、测不准……量子世界玄妙无比,却又无比真实。简单来说,如果没有量子原理存在,一个原子的正常结构都不能维持,电子会失去能量并以螺旋线的轨道落向并最终撞击到原子核去(波尔模型)。

更进一步,就像相对论对引力的描述一样,量子力学为统一宇宙基本作用力提供了至关重要的基础。


5. 基本粒子与基本力

既然物质并非无限可分,那可以分到什么程度?这些粒子之间又有什么性质和关系?量子力学仿佛撒了一张弥天大网。

字宙间所有已知的粒子可以分成两组:

- 费米子:自旋为 1/2(半整数)的粒子:它们组成宇宙中的物质。包括夸克和轻子。其中夸克组成质子、中子等复合粒子,轻子则包括电子、中微子、正在被捕捉的「天使粒子」——马约拉纳费米子等。玻色子可以处于相同的量子态,因此它们喜欢「凝聚」在一起,因而能形成可见物质。
   
- 玻色子:自旋为 0、1 和 2 的粒子:它们在物质粒子之间产生作用力。包括光子、胶子、以及传说中的「上帝粒子」——希格斯玻色子等。这类的粒子不能存于相同的态,服从泡利不相容原理,不会形成一锅物质「汤」。因此它们的任务就是传递费米子们之间各种力的作用。

玻色子们也被霍金成为「虚粒子」,它们很难被探测到,作用距离非常受限,只有在被「实粒子」即费米子携带进行交换,产生相互作用时才放射出来。但我们清楚的是:「每一种作用力,都对应一种玻色子」。

基本粒子作用
基本粒子作用


至此,关终极理论至关重要的问题来来了:引力也是一种作用力,它也对应一种粒子吗?所有这些作用力之间是否可以统一?

下面就是爱因斯坦终生在追求的目标:

- 引力:产生质量,短弱长强,宏观尺度。对应引力子,自旋2,尚未证实。
- 电磁力:产生电荷,短强长弱,原子分子尺度。对应光子,自旋 1,已证实。
- 弱核力:产生放射性现象,作用于自旋1/2的粒子。已由「弱电统一论」和电磁力统一。
- 强核力:束缚质子、中子、夸克间。对应胶子,自旋 1

在量子理论下,引力对应一种尚未发现的粒子。而如果存在大统一理论,那么根据相对论对宇宙起源于奇点的推测,必定是在非常高能情况下——即类似宇宙大爆炸之初才能统一。但物理学家们直到现在也没完成。

这些微观尺度粒子和力似乎总是难一探究竟。而引力则始终发挥作用,在宏观上决定着宇宙演化,并产生了一种极为特殊的星体——黑洞。

6. 黑洞

黑洞并非一个黑漆漆的洞,它的形成,是恒星死亡时,引力和斥力对抗的结果。
恒星的形成,是在宇宙暴涨一定时期后,大量宇宙物质引力吸引,向自身坍缩而成。此后发生剧烈的热核反应,压力升高,停止收缩,在一定时期内维持平衡。但最终会耗尽核燃料——但别担心,我们太阳还有50亿年够烧。

恒星的结局,取决于**昌德拉塞卡极限**,这个数值大约是1.5倍太阳质量,大于这个数值的恒星将不能维持本身以抵抗自己的引力。

- 恒星的质量 < 昌德拉塞卡极限:斥力大于引力,停止收缩 ,变成「白矮星」,如天狼星。
- 恒星的质量 > 昌德拉塞卡极限:会爆炸或设法抛出足够的物质,形成「中子星」。如果质量更大,则将成为「黑洞」。

黑洞的表面的引力场是如此之强,以至于在一定区域内,连宇宙最快的光都无法逃出去,那些刚好不能从黑洞逃逸的光线组成的黑洞的「事件视界」。在事件视界内,因为没有光,也就无法被观测者观测到。这就是黑洞「黑」的由来。

黑洞视界
黑洞视界


天文学家根据引力计算推测,在宇宙中含有大量黑洞,甚至我们银河系的中心就有一个巨大黑洞。黑洞有很多有趣的性质,比如「黑洞无毛定理」,一旦生为黑洞,大小和形状,只决定于质量和旋转速度,和生前形状和带有的信息毫无关系。

黑洞无毛
黑洞无毛


然而——那些被黑洞吞噬的光和物质就消失了吗?如果两个黑洞碰到一起怎么办?霍金经过研究发现:

> 黑洞的事件视界的面积总会增大,每当物质或辐射落到黑洞中去,这面积就会增大;或者如果两个黑洞碰撞并合并成一个单独的黑洞,这最后的黑洞的事件视界面积就会大于或等于原先黑洞事件视界面积的总和。

黑洞这种「只增不减」。很像一种叫做熵的物理量的行为。熵是一种测量系统无序程度的量,热力学第二定律,即「熵增原理」说:如果不进行外部千涉,事物总是倾向于增加它的无序度。例如,如果你收拾屋子,屋子虽然虽然整洁了,但会消耗你更多的能量。

—— 那么问题来了,把一个携带大量熵的物体扔到黑洞中会发生什么?热力学定律会被违反吗?不会。霍金经过研究认为,「事件视界的面积就是黑洞熵的量度」。携带熵的物质落到黑洞中时,它的事件视界的面积会增加,最后总面积大于原来物质的熵和视界面积之和,于是符合熵增原理。

但如果一个黑洞具有熵,那它也应该有温度。而具有特定温度的物体必须以一定的速率发出辐射。霍金认考虑了一对本来可以正负湮灭的粒子,但不幸有一只被黑洞吞噬的情况,根据能量守恒,那只逃逸的正粒子,相对观察者就好像从黑洞逃逸出一样。我们知道,任何东西都不能从黑洞的事件视界之内逃逸出来,黑洞怎么可能发射粒子呢?霍金根据量子量子理论认为:,粒子不是从黑洞里面出来的,而是**从紧靠黑洞的事件视界的外面的「空虚的」空间来的!量子论再一次化腐朽为神奇。

黑洞辐射
黑洞辐射


这一结论被称为「霍金辐射」。它给黑洞的负面印象进行了正名:黑洞不是那么黑的,在它吞噬物质质量后,信息永远丢失,但会以等效的能量辐射回宇宙去,形成被「再循环」利用的某种永生。

黑洞一直令宇宙学家们无比着迷。在宇宙初期就有很多大黑洞,被称为太初黑洞。当然也有随后形成的小黑洞。黑洞质量越小,其温度就越高。这样,随着黑洞损失质量,它的温度和发射率增加。如果把一座山差不多的质量压缩成比万亿分之一英寸,它会比一个原子核的尺度还小,然而发动功率却远超10个大型发电站。人类如果能利用好黑洞,简直丰衣足食。

但黑洞不仅可能让未来人类吃好喝好,还可能送人们去远方、甚至过去与未来旅行。这就要谈到时间了。

三、时间
时间本质是什么?我们能进行时间旅行吗?

7. 时间箭头

在大爆炸模型中,宇宙的起源是一个奇点,也就是时间开端。那么在这「之前」有没有时间?

为了统一相对论和量子力学,物理学家引入了「虚时间」的概念,这是一个既有方向又有大小的矢量,你可以向前或向后走。在虚时间里不存在奇点或边界,也就无所谓开端。这种「无边界条件」构建的宇宙模型,甚至可以不需要宇宙有上帝的第一推动。这样来看,我们能感知的「实时间」才仅仅是我们头脑和模型中的产物。

那么,问题依然能没有解决。我们为什么能际感知到的「实时间」流动呢?这是怎么回事?要知道,我们宇宙大多数物理定律并不区分过去和未来。这被称为 CPT 联合作用(或对称)不变:

- C: 用反粒子替代粒子
- P: 取镜像例子,即左和右相互交换
- T: 颠倒粒子的运动方向,时间反演使运动倒退回去。

也就说,一个粒子向前运动,并没有什么阻止它向后。而我们所处的宏观世界,很显然能感到有一个时间方向。霍金在《时间简史》进行了分析,并区分了三种时间箭头:

时间箭头
时间箭头


1. 热力学时间箭头:

    这是**无序度或熵增加**的方向。这是一个宏观量。虽然根据 CPT,单个粒子可以随着时间反演,但你肯定没有见过被打碎的一杯水,从地板上跳回桌子上自己恢复成原样。热力学时间箭头决定了宇宙演化的整体方向。

2. 心理学时间箭头:

    这是我们**感觉时间流逝的方向**,我们之所以**记忆过去而不是未来**。由于心理受限生理并最终受限于物理,就像一台计算机必须有自己的时钟,并在熵增方向将事物存储一样,所有心理学时间箭头,本质是由我们头脑中由热力学时间箭头决定的。无序度随时间的增加乃是因为我们是在无序度增加的方向上测量时间。

3. 宇宙学时间箭头:

    在宇宙在这个方向上膨胀,而不是收缩。要解释这个方向,需要引入一个假设**「人则原理」:如果宇宙不是这样的话,那么我们就不会在这里**。这即是说,收缩的宇宙也许存在,但不适合智慧人类的存在,因此自然也就无法提出这样的问题。霍金为此解释道:
    
    > 首先一个强的热力学箭头是必需的。为了生存下去,人类必须消耗能量的一种有序形式一食物,并将其转化成能量的一种无序形式——热量,这样智慧生命不能在宇宙的收缩相中存在。这就解释了为何我们观察到热力学和宇宙学的时间箭头指向一致

8. 时间旅行

时间旅行一直是人类的梦想。然而根据相对论,当一个物体接近光速时,质量会变得无穷大,从而永远无法突破光速的壁垒回到过去。这种方法只能让自己的时钟变慢,譬如一个宇航员可以以接近光速到遥远的星系去再回到地球,相当于来到了地球的「未来」。

那有没有什么办法让我们真正回到过去呢?有以下几种较为靠谱:

1. 哥德尔的旋转宇宙

    爱因斯坦的好朋友哥德尔,一位伟大的逻辑学家,在晚年提出了一种能在广义相对论下成立的宇宙模型——「旋转宇宙模型」,在这个存在「宇宙弦」的时空中,由于时空极度扭曲,不断旋转,因此使得人们能够进行时间旅行。霍金认为宇宙早期很可能存在这样的结构,但这个解并不对应我们现在的时空。

2. 虫洞

    在相对论下既然宇宙是四维时空,那么就还有一种方法,人们也许可以把时空卷曲起来,使得 A 和 B 之间有一条近路——连接它们之间的通道就是**虫洞**。虫洞就是一个时空细管,它能把两个相隔遥远的几乎平坦的区域连接起来。人们现在对虫洞依然所知甚少,甚至有物理学家推测黑洞可能就是虫洞入口,在科幻电影《星际穿越》就采取了这样的设定。
    
3. 额外维:存在于在终极理论的候选「弦理论」中,可能从比时间更高的维度「抄近道」,但是它太小是个问题。后面会谈到。

虫洞
虫洞


如果有一天,人类真的进行了时间穿越,那会发生什么?历史会改变吗?答案是不会。有两种方法可以消除时间旅行导致的佯谬:

1. 协调历史方法。当一个通过时空卷曲的旅行者回到过去时,在时空中发生的必须是满足物理定律的协调的解。因此类似「杀死外祖父」之类的冲突不会发生:你只有在不能杀死外祖父的条件下才能回到过去。你回去后不能改变历史,你被物理定律决定了没有自由意志去那么做。

2. 选择历史假说。当时间旅行者回到过去,他就进入和记载的历史不同的另外历史中去。这样,他们可以自由地行动,不受和原先的历史相一致的约束。在这个假说中,旅行者回到的过去被认为是一个与我们类似但不同的「平行宇宙」。

时间旅行佯谬
时间旅行佯谬


四、终极理论

> 终极理论是什么样子?我们能得到吗?

9. 弦理论及其后续

如果要得到物理学的终极理论,首先要做到的就是统一相对论和量子力学,将不确原理结合到广义相对论中去,这需要调整引力强度和宇宙常数的数值。进行这种尝试的包括「超引力」理论:

> 一种携带引力的自旋为2称为引力子的粒子和某些其他具有自旋为 3/2、1、1/2 和 0 的新粒子结合在一起。在某种意义上,所有这些粒子可认为是同「超粒子」的不同侧面

但现在物理学们,最喜欢,也觉得最像的一个是「弦理论」。

在弦理论中,组成宇宙的最基本单位不再是占空间单独的粒子,而是只有长度没有其他维,像是一根无限细线的弦。

这些弦可以是有端点的开弦,也可以是自身首尾相接成闭合的圈子即闭弦。弦和粒子的区别在于:

- 一粒子在每一时刻占据空间的一点,粒子的历史可以在时空中用一根线即「世界线」表示。
- 一根弦在每一时刻占据空间的一根线,其在时空里的历史是一个叫做「世界片」的二维面。世界片上的任一点包括时间和位置两个量。
    - 开弦:世界片像一条带子,它的边缘代表弦的端点通过时空的路径
    - 闭弦:世界片像一个圆柱或一个管,截面是一个圈,代表特定时刻的弦的位置

弦理论
弦理论


两根弦可以连接在一起,形成一根单独的弦,这类似于粒子之间的相互作用。如果把所有基本粒子都当做弦来处理,就可能找到一种协调的量子理论,它可以解释所有四种基本力。虽然在弦理论中,也会导致无限大,但更容易消除,最大的麻烦还在于它导致非常高维度的时空出现:十维甚至二十六维。这些可能的「额外维」也提供了一种时空旅行的思路。然而额外维是一种很小蜷缩维,恐怕很难通过我们宏观世界那么大的宇宙飞船。

弦理论后续在理论物理不断进展,最新研究成果是 「M 理论」,然而这些研究因为过于数学化,很难被实验验证,因此曾引起很大争议,甚至激起过弦理论是不是科学、究竟何为科学标准的大论战。此外,另一个被寄希望于终极理论候选的是「圈量子理论」,霍金在《时间简史》没有提到,这是后话了。

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我们能看到,在终极理论之梦的追寻过程中,驱动物理学家们探索的始终是一种**智性满足**和对**秩序美感**的追求,而非出于实用的目的。这也是科学探索最能感动我们的地方:**当我们抬头穿过漫漫黑暗,仰望最遥远的星空,看清自己的位置时,眼睛和星星之间闪烁的光,那就是我们心之所向**。
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