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寻找时间的边缘: 黑洞、白洞和虫洞


寻找时间的边缘: 黑洞、白洞和虫洞

作  者:(英国)约翰·格里宾

出 版 社:海南出版社

出版时间:2014年06月

定  价:32.00

I S B N :9787544353816

所属分类: 科普读物  >  宇宙知识    

标  签:科普读物  宇宙知识  

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TOP编辑絮语  [展开]

从格里宾《寻找多重宇宙》的空间探索,到这本对时间的探索,对涉及时间的黑洞、白洞与虫洞的追溯,对回到过去与未来的多种科学设想,正好碰上韩剧《来自星星的你》热播,让人不得不惊叹于这种无拘无束的想象,感受科学与文学的魅力。

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TOP内容简介

 现在被称为“黑洞”的现象早在1783年就有描述,当时那些理论被当作纯粹的空想而被人无视——看不见的星星听起来过于难以置信,所以没有被人严肃对待。直到射电天文学、相对论、扭曲空间的数学模型得到发展,那些看不见的星星的真正意义才逐渐清晰。

正如约翰·格里宾所述,“几乎所有的天文学家都会把黑洞看做我们宇宙的构成要素”。很多人相信黑洞具有通向其他时代、其他地点的类似通道一样的功能,而且其中还蕴藏着宇宙大爆炸的奥秘。史蒂芬·霍金将其视为虫洞,连接母宇宙和婴儿宇宙。新兴宇宙、中子星和X射线、白矮星、类星体、脉冲星,相关理论细节将一一陈列在这本扣人心弦的书中。

TOP作者简介

约翰·格里宾(John Gribbin),英国著名科学读物专业作家,萨塞克斯大学天文学访问学者。他毕业于剑桥大学,获天体物理学博士学位,现在是苏塞克斯大学的客座天文学研究员。曾先后在《自然》志和《新科学家》周刊任职。1974年他以其关于气候变迁的作品获得了英国最佳科学著作奖。约翰·格里宾著有50多部科普和科幻作品,其中的科学三部曲《薛定谔之猫探秘》、《双螺旋探秘》和《大爆炸探秘》尤为脍炙人口。此外,他还与妻子合著了一系列著名科学家的传记,而反映“科学顽童”费恩曼科学生涯的《迷人的科学风采——费思曼传》更是广受好评。他还撰写了许多畅销书,其中包括《《欧米加点》、《大爆炸之探索》、《起始》、《宇宙指南》和《Q代表量子》。他的书已被译成多种语言,并在英国和美国得过奖。

TOP目录

 致  谢 .....................................................1  

第一章 古代历史.................................... 1

让牛顿生!;站在巨人的肩膀上;三条定律和一个引力理论;测量时间;穿越太阳系;黑洞探索先驱;波动与粒子:奔向21世纪科学

第二章 扭曲的空间与时间 ................. 31

从欧几里得到笛卡儿;超越欧几里得;几何学时代的来临;相对论几何学;爱因斯坦引力论窥探;几何学的相对论;史瓦西奇异解

第三章 致密的恒星 ............................. 61

矮伴星;简并星;白矮星极限;物质的终极密度;在中子星内部;超越中子星;脉冲星之谜;兹威基是对的:中子星揭秘 

第四章 黑洞很多 ................................. 97

红移与相对论;射电星系;类星体;宇宙能量站;X射线星;天体能量站;最初的候选者;大量的可能性 

第五章时间边缘的黑暗 ...................121

新时空地图;旋转的黑洞;奇点规则;击败宇宙检查员;黑洞是冷的;暴涨的视域;离心困惑;单程时间机器

第六章 超空间连接.............................155

爱因斯坦连接;突破超空间;连接各个宇宙;蓝移块;分割蓝移墙;超空间旅行;虫洞工程;制造反引力;弦驱动飞船:一个可行的建议?

第七章 建造时间机器的两种路径.....187

悖论和可能性;时间循环和其他扭曲;超光速时间旅行者;哥德尔的宇宙;提普勒的时间机器;虫洞和时间旅行;化解悖论

第八章 宇宙连接.................................217

吹泡泡;爱因斯坦常数的消失;一个振荡的宇宙?;黑洞反弹

专业术语  .................................................233 

参考文献  ................................................245

TOP书摘

第七章:建造时间机器的两种路径

常识怎么会没有意义呢。外祖母悖论——如何修补。薛定谔的猫和多世界理论。混乱的时间。时间是一个幻觉吗?时间穿梭的超光速粒子。一个宇宙时间机器,提普勒的时间机器和时光隧洞,苏联—美国模式。时空弹球和宇宙历史——二加二以及更多。

常识告诉我们时间穿梭是不可能的。常识还告诉我们,如果认为运动的物体会缩短并且变得越来越重,而且穿梭到遥远星球又返回地球的宇航员会比待在家里的双胞胎兄弟年轻一点,这是无稽之谈。对于宇宙运行所遵循的规律来说,当涉及时间穿梭的时候,常识不一定总是很好的指南,其他事情也是一样,重要的是弄清那些规律真正告诉我们的是什么,而不是我们想要它们说些什么。但是,那并不意味着我们可以对哲学家们所提出的时空穿梭疑问和在我们的概念常识中隐含的疑问完全置之不理。如果时间旅行是可能的,肯定意味着需要抛弃一些关于现实本质的坚定信念——物理学家不得不这样做,在过去几百年间这也不是第一次。

通过“时间穿梭”,我指的是两种方式的时间穿梭,某一过程将会使你踏上行程并且返回到你出发时(或之前)的同一地点。这样一次时间旅行据说可以形成一个封闭类时曲线。从“常识”的角度来看,我们可以想象一下,如果他或她进行时间旅行并且在时间旅行者的母亲出生前设法以某种方式(或非故意导致的)使其外祖母死亡,对于时空旅行者来说将会发生什么,就能生动地说明这类时间穿梭的问题。在那种情况下,时间旅行者就不会出生。因此,时间旅行是绝不会发生的,外祖母也不会死亡。那么,时间旅行者是在哪种情况下出生的?

 

悖论和可能性

用更科学的术语来说,封闭类时曲线的问题可能违背了因果关系。因果关系是一种假定关系,它表明原因总是要先于结果的。如果我扳动房门旁边墙上的开关,灯会在我扳动开关之后点亮,而不是之前。甚至在相对论的常规框架内,它允许以不同速度运动的观察者看到以不同顺序发生的或发生在不同时间的相同事件(有时候),虽然观察者正在运动,他也绝不会看到房间内的灯光在我扳动开关之前亮起。想象一个正在移动的火车车厢的中间位置有个光源。不同的观察者可能提出不同意见,从光源发出的两道光是否会同时到达车厢的两端,或者哪一道光会首先达到适当的一端;但是,所有观察者都同意,光束在到达墙面之前离开了光源。大多数物理学家相信因果关系是自然界不可违背的规律;但是事实上,他们没有证据证明。没有人发现因果关系被违背,但是,与宇宙监督“规则”相同,事实上物理学规律中并未要求因果关系是真实的。因果关系规律不过是科学术语中所表达的我们关于时间的常识性观点。

那么,我们如何解决“外祖母悖论”?有两种行之有效的可能性,科学家、哲学家和科幻小说作家(最容易理解的)就此展开了广泛的讨论。首先,过去发生的事情都是不能侵犯的,这已经确定为一种僵化的模式。所有已经发生的事情,包括你穿梭回到过去拜访外祖母,从这一观点来看,它已经发生了并且不能改变。因此,无论当你出发开始时间旅行的时候意图如何,你所做的事情都无法改变过去。假定你抱着谋杀的意图出发,当你瞄准外祖母的时候枪将会射偏;或

者,可能经过一系列偶然性事件,你事实上根本见不到她。关于这种想法的一个小变化是时间旅行和改变过去是可能的,但是没有任何重大意义。例如,如果你回到过去砍倒一棵树,在那个地方又会长出另一棵树;如果你在你外祖母还是一个年轻姑娘的时候谋杀了她,你的外祖父可能就与她的妹妹结婚,这样你所继承的基因物质会出现微小的变化;等等。在弗里兹雷伯的“改变战争”系列故事中,有两个对立的时间旅行者团体,他们想要利用自身的优势改变过去击败对方。虽然他们尽一切可能尝试,但是他们做出的改变好像影响力很小,并且遵照雷伯故事人物中提到的“现实守恒定律”,这些改变在通过时空连续体传播很远之前“就灭失了”。这种外祖母悖论解决方法最让人担心的是,它在多大程度上消除了我们拥有自由意志和真正独立行动的能力。如果过去是如此严格意义上的固定不变,还伴随着封闭类时曲线,未来可能也是完全固定不变的,而且,纵使我们决心要改变事件的结果,我们对时间流动的感知不再像逼真的行动表现那么真实,也不像用于制作电影的静止图片一个接一个投放到屏幕上面时所产生的时间流那么真实。

在某种意义上可以将时间视为一种不能改变的固定维度,赫伯特乔治威尔斯在他著名的小说《时间机器》中第一次提出这一想法。在爱因斯坦发布相对论之前10年,甚至在闵可夫斯基用四维空间几何学描述这一特殊理论之前很长时间,威尔斯就提出“在时间和空间三维的任何一个维度之间都没有差别,除非我们的意识观念随之发展”。小说中虚构的时空旅行者将我们所视为三维立方体的东西描述为一个固定的和无法改变的包含时间的四维实体,因此具有自己的长度、宽度、厚度和持续时间。但是,问题是,如果在四维空间中一切固定不变,那么时空旅行者如何对故事后面参与的事件产生影响呢?根据威尔斯对这些冒险活动的辩护,一切都是固定不变和预先确定的,包括时间旅行者对未来的干预。这使得生活失去了大部分乐趣。解决外祖母悖论的第二个可能性更加耐人寻味。在亚原子层面上,宇宙受到根据机会和概率规律运行的量子力学的支配。此外,还有一个老套的(而有效的)方法可以理解这意味着什么。一个放射性190 寻找时间的边缘:黑洞、白洞和虫洞原子核的衰败,伴随着释放一个粒子从而变成另一种元素的原子核,这完全取决于机会。对于每一种特殊类型的放射性元素,都存在一个特定的时间长度,在此期间原子有50:50的精确机会衰败。这一时间

间隔就是元素半衰期。量子过程对概率性的这种奴隶般的服从让爱因斯坦感到特别受辱,他那句名言是“我不相信上帝会跟宇宙玩掷骰子”;但是所有证据(并且其中大量证据)都显示从量子层面上来说概率确实是占有统治地位的。一个经典的思想实验能够说明这一点的奇怪含义,这个实验是由诺贝尔奖获得者量子物理学家埃尔温薛定谔设计出来的,设计一只假想猫被关闭在带有一瓶毒药、某种放射性物质和一个盖氏计量器的盒子里面。设备用电线连接,如果放射性材

料衰败,盖氏计量器就会被触发并且发出一个装置粉碎毒药瓶子然后杀死猫。如果我们开始这一实验,关闭盒子盖,然后等待放射性衰败发生的这一50:50精确机会,薛定谔的问题是:在我们打开盒盖之前盒子中的猫是什么状态?

常识告诉我们,猫或是活着或是死了。但是,量子物理学告诉我们像原子放射性衰变这样的事件只有在进行观察的时候才会成为现实。这就是说,量子物理学表明在这种情况下放射性物质是否发生衰变在打开盒子之前是不确定的。在我们查看盒子之前,放射性材料是一种所谓的状态叠加,一种衰变和未衰变可能性的混合状态。一旦我们查看盒子,其中一种状态成为现实,另一种状态消失。但是,在我们查看盒子之前,盒子中的一切,包括猫,都是一种状态叠加。因

此,量子力学一直以来都被描述为同时具有死亡和活着两种状态——在半个多世纪的时间里,这一理论通过了每一项实验。

怎么会这样?这一困惑的一个可能解决办法是多世界假说。它认为常识告诉我们,猫或是活着或是死了。但是,量子物理学告诉我们像原子放射性衰变这样的事件只有在进行观察的时候才会成为现实。这就是说,量子物理学表明在这种情况下放射性物质是否发生衰变在打开盒子之前是不确定的。在我们查看盒子之前,放射性材料是一种所谓的状态叠加,一种衰变和未衰变可能性的混合状态。一旦我们查看盒子,其中一种状态成为现实,另一种状态消失。但是,在我们查看盒子之前,盒子中的一切,包括猫,都是一种状态叠加。因此,量子力学一直以来都被描述为同时具有死亡和活着两种状态——在半个多世纪的时间里,这一理论通过了每一项实验。怎么会这样?这一困惑的一个可能解决办法是多世界假说。它认为,每当宇宙(“世界”,在这里可以用这个术语)面临量子层面的道路选择时,事实上它都具有两种可能性,分裂为两个宇宙(经常被描述为“平行世界”,虽然事实上,精确地说,它们实际上是垂直的关系)。在这幅画面中,当盒子中的放射性物质面临衰变或不衰变的选择时,它不会进入一种对叠加状态的犹豫不决。而是,整个宇宙分裂为两个宇宙。在一个世界中,物质发生衰变,当你打开盒子的时候发现一只死猫。在另一个世界中,物质并未衰变,你发现了一只活猫。两只猫,而且都是“你的”猫,是完全真实的,在另一个世界中的对应物完全不知情。

量子力学的多世界解释绝不会被所有物理学家重视。即使这样,有趣的是,在重视这一解释的少数人之中的几个是近期最伟大的物理学家,包括约翰惠勒(虽然他一度曾提出疑问)、基普索恩和史蒂芬霍金(他认为他能够从多世界变化的视角解释宇宙起源)。当然,这种可能性恰好能够解决外祖母悖论——接着发生了什么呢,时间旅行者可能回到过去并且导致可怜的年迈外祖母死亡(或者,是可怜的年轻外祖母),但是这一行为产生了一个新的世界树分支,时间旅行者不存在而且从未出现过的一个宇宙。当时间旅行者在外祖母死亡后再次随着时间前行,他或她将会移动到时间树的这一新分支,到达一个完全不同于他出发时的世界。

科幻小说经常会探索这一可能性。一个最著名的例子是莫尔沃德的小说《迎接大赦》。在那个故事中,主人公最初生活在一个与我们十分相似的世界,只是南方取得了美国内战的胜利。他通过时间旅行回到过去研究美国内战中一场著名的战役,并且在不经意间引起了一系列事件,改变了战争的过程并且最终导致北方联邦军战胜了南方联盟军。当他随着时间继续前行的时候,他进入了“我们的”时间。但是,他原来的世界可能仍然存在,遵循着自己的时间轨迹。这个题目在《回到未来》系列电影中也有探讨,尤其是(即使令人迷惑)在三部曲的第二部中。

因此,时间旅行至少以两种方式发生,而不会违背因果关系——如果因果关系过去就已经不可违背地固定下来,可以建立一些新宇宙使得任何调整都与过去的事件相适应。还有另一种新奇的可能性——在一个时间环内事件就是它们自身的原因(或者,如果你愿意,一些事情会没有原因地发生)。这里,科幻小说再一次提供了一个经典案例。

时间循环和其他扭曲

在他的故事《你们这些傻瓜》之中,罗伯特海因莱因描述了一个年轻的孤女如何被时间旅行者诱惑并且(恰好)生下了一个小女孩给人收养。这一生育所导致的复杂后果是,“她”做了一个变性手术变成了一个男人。她的诱惑者动员她进入了时间服务,结果显示她事实上就是他年轻时的自己,而且那个女婴(事实上他从时间上来说回到了她成长的孤儿院)也是他们更年轻的自己。 这个封闭循环是很好的,而且没有违背已知的物理学规律(即便从生物学角度看是不大可能的)。但是,如果我们忽略这些“特殊的影响”,并且假想一下没有人疯狂地去做一些可能产生悖论的事情,例如杀死你自己的外祖母,那么又会发生什么呢?我们如何用现代物理学的语言描述一次简单的时间旅行?

最好的方式是借助时空图。想象一下,一个发明家在实验室中不停地连续工作,建造一个时间机器。一旦建造完成,他跳进去,按下开关,时间旅行回到过去,空间上稍微倾斜,直到与更年轻的自己并肩而坐。然后,他关掉机器,两个发明家交流了几句,最后沿着自己的路进入了实验室外的世界。这类时间的时空图如图7.1。理查德费曼对闵可夫斯基的标准时空图做了细微改变,以便表示出时间的流动。如果你在一张纸或卡片上面剪一个小窄缝,并且将这张纸或卡片放到图上,这样通过小缝儿只能看到底轴线,你看到了发明家在实验室中开始工作时的位置。将这个窄缝向页面上部移动(或者仅用手盖住图,并且向页面上部移动),你看到发明家的世界线随着时间的流逝而延长,但是他仍然处于相同的位置。突然地,稍年长的发明家莫名其妙地出现了,坐在时间机器里面。从那个时候起,我们一度能看到三个发明家。一个最年轻的发明家正在建造时间机器,与年长点的自己说了几句话。另一个最年长的发明家开始进入一个外部世界,与年轻的自己说了几句话。坐在时间机器里面的第三个发明家是年纪居中的。不仅如此,随着时间流逝(向页面上方移动),他变得年轻了。我们可以这样说,例如,如果说他正在抽雪茄。从时空外的像上帝一样的视角,我们应该看到他双唇间的雪茄开始的时候是一个烟蒂,但是当我们将注意力转移向页面上方,我们发现雪茄逐渐变长,直到成为一根完整的雪茄,时间旅行者将其装起来并且藏到口袋里。

时间机器已做的就是逆转其内部的时间流——其结果是,第三个发明家的世界向后与发明家的最初世界线重叠。

费曼的图表实际上用于描述亚原子世界中的粒子行为。通常上,像图7.1一样的图表可用于描述在“V”位置的一对粒子—反粒子的表现(可能是一个电子和一个正电子)。前面我已经提到这些虚粒子对是相互湮灭的,目前为止这是它们最共同的命运,然而,事实上,如果其中一个虚粒子能够与真实世界的伙伴粒子相互湮灭,将能量债务补偿给真空,以致初始的虚伙伴粒子能够在这个位置被升级为真实粒子,那么这些平衡关系能够完全令人满意地实现。在那种情况下,来自于图7.1中“V”位置所形成的虚粒子对的正电子可能会很快地遇到电子(左侧的垂直线),一般来说使得它的对应电子进入这个世界。当20世纪40年代费曼提出这一模式可以被认为是一个单独电子的世界线,这个单独电子先是在时间上前移,然后在时间上后退,然后再次前移。换句话说,当电子在时间上后退的时候,正电子也是完全一样的。

你甚至不需要借助虚粒子来玩这个游戏。如果有足够的纯粹能量,真实的粒子—反粒子对也可能由这些纯粹能量制造出来。当一个电子和正电子相互湮灭的时候,它们将会以伽马射线的形式释放能量;具有充足能量的伽马辐射也能产生粒子—反粒子对。因此,另一版本的费曼图可能如图7.2所示。其含义就是从某种意义上来说所有的粒子轨迹和相互作用在时空几何中可能都是固定的,所有的运动和变化都是由我们“当前”时刻的不断变化的心理认知所产生的一种幻觉

(图7.3)。现在,物理学家已经对这一观念习以为常,至少在某种程度上,费曼图是粒子物理学领域的一个有用工具。 但是,没有人“真正相信”正电子是在时间上倒退的电子——这被认为是一个暗喻,而不是真实的表述。然而,物理学定律表明,正电子与时间上倒退的电子简直是无法区分的。相同图表上的世界线可以描述一个时间旅行发明家的冒险经历,这一事实意味着物理学定律允许这种旅行(而且可以说,时间倒退旅行的发明家相当于一个“反发明家”)。

我掩盖了一点,那就是如果真正试图建造时间机器,哪一个是具有现实意义的。在粒子世界中,粒子—反粒子对可能是由伽马射线能量制造出来的。但是翻版发明家的质能来自哪里呢?为了让多出来的一个发明家与原来的发明家同时存在,猜想一下时间机器将会需要至少等同于发明家质量的能量输入,这是合乎情理的。事实上,那应当是非常大的能量;将时间机器接入输电干线获取能量(甚至是使用方便的雷击)是行不通的,这可能将初始的时间旅行实验限定为涉及面很小而不是关乎全人类的简单测试。但是,这仅是一个技术问题,并且相对于控制宇宙弦来说要容易一些。我从未说过时间旅行是简单的——只是这是物理学定律所允许的!

所以,让我们暂时从人的时间旅行的戏剧性内涵的概念退一步,转而考察粒子时间退行的概念。这里仍然存在基本的时间悖论,因为如果我们拥有将粒子送回到过去的方法,那么我们肯定可以使用这些粒子传递信息。想象一下,你和我有一个时间电台。我答应,倘若我在下午五点钟没有收到在时间上倒退发送的时间电台信息,我会在六点用普通电话打给你。而你答应,倘若我在六点打电话,你会发给我时间上倒退的信息。你只会在我打电话的情况下给我发信息;而我只会在你不发信息给我的情况下打电话。假定我们俩都遵守承诺, 那么我们如何解决这一两难处境?与外祖母谋杀情境或时间旅行发明家的情况不同,这可能会在不远的未来变成一个现实的问题。根据老的相对论,撇开费曼较新的时空图幻象,时间上退行的粒子概念并没有错,唯一的要求是它们必须总是在时间上退行,而且顺便说一下,它们旅行的速度要快于光。它们甚至还有个名字——超光速粒子——至今没有人确实找到过它。

超光速时间旅行者

乍看之下,这一特殊的相对论似乎可以阻止超光速(FTL)旅行。如果你以低于光速的速度出发然后越走越快,时间也越来越慢,在达到光速的时候,时间停止。你不能走得更快,因为光速本身就是一个无法逾越的屏障——如果你试图提高速度,但是没有剩下的时间。不过根据方程,在屏障的另一面是一个奇怪的反时针世界。在那里,如果你以高于光速的速度前进,时间就会缓慢地倒退。这其中有一个确定的逻辑——毕竟,当你接近光速的时候时间行驶速度更慢,当达到光速的时候时间静止,那么当你超过光速的时候时间倒退(比静止还慢)。在超光速粒子世界中,前进的速度越快,时间倒退的速度就越快,而且这种粒子拥有的运动能量越多,它移动的速度就越慢(即,增加能量通常会推动一个粒子接近于光速屏障,从屏障的任何一侧都一样)。因为一个超光速粒子越走越快就会损失能量,这时时间就会向后倒退。令人惊讶的是,这一奇怪的可能性是在爱因斯坦发表自己的相对论之前刚刚提出的。在20世纪初,阿诺德索末菲(曾任哥丁根大学的编外教师,然后成了德国亚琛工业大学的教授,并且在慕尼黑获得了量子理论先驱之名)认识到麦克斯韦的电磁学理论要求超光速(FTL)粒子在损失能量的时候加速。他在1904年公布了这一结论,1905年发布的特殊理论也很大程度上基于麦克斯韦的理论,因此其中包含关于超光速粒子的相似描述不足为奇。但是,直到20世纪60年

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