霍金 - 蟲洞 / 時間機器

 

霍金解讀愛因斯坦的“蟲洞”理論

蟲洞(Wormhole),或譯作蛀孔或蠹孔,又稱愛因斯坦-羅森橋,是宇宙中可能存在的連接兩個不同時空的狹窄隧道。蟲洞是1916年奧地利物理學家路德維希·弗萊姆首次提出的概念,1930年代由愛因斯坦及納森·羅森在研究引力場方程時假設,認為透過蟲洞可以做瞬時間的空間轉移或者做時間旅行。迄今為止,科學家們還沒有觀察到蟲洞存在的證據,一般認為這是由於很難和黑洞相區別。
為了與其他種類的蟲洞進行區分,例如量子態的量子蟲洞及弦論上的蟲洞,一般通俗所稱之「蟲洞」應被稱為「時空蟲洞」,量子態的量子蟲洞一般被稱為「微型蟲洞」,兩者有很大的區分。
黑洞有一個特性,就是會在另一邊得到所謂的「鏡射宇宙」。愛因斯坦並不重視這個解,因為我們根本不可能通行。於是,連接兩個宇宙的「愛因斯坦—羅森橋」(Einstein—Rosen bridge)被認為只是個數學技倆。但是,在1963年時,紐西蘭的數學家羅伊·克爾的研究發現,假設任何崩潰的恆星都會旋轉,則形成黑洞時,將會成為動態黑洞;史瓦西的靜態黑洞並不是最佳的物理解法。然而,實際上恆星會變成扁平的結構,不會形成奇點。也就是說:重力場並非無限大。這使得我們得到了一個驚人的結論:如果我們將物體或太空船沿着旋轉黑洞的旋轉軸心發射進入,原則上,它可能可以熬過中心的重力場,並進入鏡射宇宙。如此一來,愛因斯坦—羅森橋就如同連接時空兩個區域的通道,也就是「蟲洞」。理論上,蟲洞是連結白洞和黑洞的多維空間隧道,是無處不在,但轉瞬即逝的。不過有人假想一種奇異物質可以使蟲洞保持張開。也有人假設如果存在一種叫做幻影物質(Phantom matter)的奇異物質的話,因為其同時具有負能量和負質量,因此能創造排斥效應以防止蟲洞關閉。這種奇異物質會使光發生偏轉,成為發現蟲洞的信號。

蟲洞是根據愛因斯坦相對論預測的連接時空中兩個不同地點的假想“隧道”或捷 徑,上面的三維圖輪廓集中呈現了這一點︰負能量將時間和空間拖入一條隧道入口,並在另一個宇宙出現。蟲洞至今仍是一種假設,因為從沒有人見過,但在一些電 影中被描述成時間旅行的通道,比如《星際奇兵》(1994年)和《時光大盜》(1981年),前者將蟲洞描述成宇宙之間有門的隧道,後者則是天體圖中展現 了蟲洞的位置

尋找穿越第四維的通道

大家好,我是斯蒂芬-霍金,是物理學家、宇宙學家及夢想家,盡管身體不能活動,只能通過電腦與大家交流,但從內心中我是自由的,自由地探索宇 宙,思考以下重大問題︰時間旅行是否可行?能否打開一個回到過去的通道,或找到通向未來的捷徑?我們最終能否利用自然規律成為掌控時間的主人?

在科學界,時間旅行一度被認為是歪理學說。過去因為擔心有人會把怪人的標簽貼在自己身上,我對這個問題常常避而不談。但現在,我不再那麼謹小慎 微了。事實上,我更像是建造了巨石陣的那些人。我對時間痴迷已久,如果有一台時間機器,我會去拜訪風華正茂的瑪麗蓮-夢露,或是造訪將望遠鏡轉向宇宙的伽 利略。或許,我還會走到宇宙的盡頭,破解整個宇宙湮滅之謎。

為了讓這一切從虛幻變成現實,我們應以物理學家的角度來重新審視時間——即第四維。這個問題沒有听上去那麼晦澀難懂。每個好學的孩子都知道,任 何物體都以三維形式存在,包括坐在輪椅上的我。一切物體都有寬度、高度和長度。此外,還有一種長度——時間的長度。例如,雖然一個人可能活了80歲,但巨 石陣的石頭卻數千年屹立不倒。太陽系的運行將持續數十億年。

一切物體都有時間以及空間的長度。時間旅行意味著我們要經過第四維。要想搞明白這一點,我們可以想象正在從事一種日常活動,比如開車。開車沿直 線行駛,是在一維中旅行。向左轉或是向右轉,則是二維旅行。驅車上下山路意味著又多增加了高度,所以是在三維空間內。那麼我們怎樣才能實現時間旅行?怎樣 才能發現穿越第四維的通道呢?

無處不在的“蟲洞”

讓我們暫時從科幻電影中尋找答案吧。在此類電影中,通常會有一台巨大而高能耗的時間機器,這台機器產生通往第四維的通道——“時光隧道”。時光 旅行者——勇敢但可能有些魯莽的人,做好我們大家所知道的準備,然後走進時光隧道,來到一個他們想要到達的時間里。這一概念可能有些牽強,事實可能與之存 在著天壤之別,但該想法本身不是那麼的瘋狂。

物理學家們也在思考時光隧道,但我們的角度不同。我們想搞清過去或未來的通道是否存在于自然規律中?事實證明,我們認為確實是這樣的。而且,我 們還給它們起了一個名字︰蟲洞。其實,蟲洞無處不在,只是因為太小,我們肉眼看不到罷了。蟲洞非常小,存在于時空的隱蔽處和縫隙里。你或許認為這是一個難 以理解的概念,請耐心听我繼續解釋吧。

任何物質都不是平整無暇和實心的,如果仔細觀察,會發現它們上面都存在小孔和裂縫,這是一個基本的物理原理,同樣適用于時間。即便是像台球一樣 的東西,上面也有裂縫、褶皺或空洞。現在容易說明這種情況也存在于第一個三維中。相信我,這一原理同樣適用于第四維。時間也存在許多微小的裂縫、褶皺和空 洞。在最小的刻度下——比分子甚至原子都小,我們來到一個稱為量子泡沫(quantum foam)的地方,這是蟲洞存在之處。

時空中的微小隧道或捷徑不停地在這個量子世界中形成、消失和重新形成。它們可以連接兩個隔離的空間以及兩個不同的時間。不幸的是,現實生活中這 種時光隧道非常狹小,即使發現了它們,我們也不能從這個縫隙穿過——可這正是“蟲洞時間機器”概念的前進方向。部分科學家認為,或許有一天捕捉到一個蟲 洞,將它放大數萬億倍,令其足夠的大,能讓人甚至飛船進入。

如果我們擁有足夠的能量和先進的技術,將來或許甚至能在太空中建造一個巨型蟲洞。我並不是說一定可以做到,但如果真的有這種裝置,那麼確實很了 不起。一端在地球的附近,另一端則在遙遠的星球附近。從理論上講,蟲洞或時光隧道不僅僅能把我們帶到別的星球。如果兩端在同一個地方,且由時間而非距離分 離,在遙遠的過去,飛船就能在地球附近自由出入。或許恐龍會看到飛船登陸的場景。

“瘋狂科學家”悖論

如今,我意識到以四維方式思考並不容易,蟲洞是一個令你絞盡腦汁的概念。我一直想做一個簡單的實驗,揭示人類通過蟲洞的時間旅行是否可行,或是 現在,或是未來,我喜歡簡單的實驗和成功後的香檳酒。所以,我將自己最喜歡的兩件事情結合起來,探討時間旅行是否可行。讓我們設想一下這樣的場景,我參加 一個為未來旅行者舉辦的歡迎宴會。

由于出現意外,我沒有讓別人知道,直至歡迎宴會結束以後。我寫好了邀請函,注明了準確的時間和空間坐標。我希望它能以這樣或那樣的形式存在數千年。或許,未來一天有人會發現邀請函上的信息,利用蟲洞時間機器回到我的宴會,證明時間旅行將來是可行的。

與此同時,時間旅行貴賓應該隨時會降臨,五個或一個。但就在我說話的工夫,仍沒有人到來,真是慚愧。我希望至少未來的“環球小姐”能踏進這扇 門。這項實驗為何不奏效?一個原因可能是回到過去的時間旅行所存在的問題——我們稱之為悖論,一個眾所周知的問題。探討悖論是一件很有趣的事情,最著名的 悖論通常被稱為“祖父悖論”。

我有一個新的簡化版本——“瘋狂科學家”悖論。我不喜歡一些電影中科學家被描述成瘋狂的群體,但在這種情況下,確實如此。這個家伙決心建立一個 悖論,即便付出生命代價在所不惜。可以想見,他是在建造蟲洞——僅需一分鐘就來到過去的時光隧道。通過蟲洞,這位科學家可以看到他一分鐘以前的自我。

如果這位科學家利用蟲洞向以前的自我開槍,會發生什麼事情?他現在已經一命嗚呼。那又是誰開的槍呢?這便是一個悖論,听上去毫無意義。但這卻是 那種讓宇宙學家做噩夢的狀況。這種時間機器會違反整個宇宙所遵循的基本規則。我認為一切皆有可能。如果真是如此,那麼就沒有任何辦法阻止整個宇宙陷入混 亂。所以,我認為有些事情總會發生以阻止這種悖論。

 

蟲洞在二維環境的模擬 另一種蟲洞在二維環境的模擬

探索通向未來的“鑰匙”

在某種程度上,這或許是科學家永遠不會發現他面臨向自己開槍境地的原因。在這種情況下,我只能遺憾地告訴大家,蟲洞本身就是一個問題。最後,我 認為像這樣的蟲洞不能存在,原因就是反饋。如果你有到搖滾演唱會現場觀看演出的經歷,你可能會辨別出這種尖利的噪音。這就是反饋,引起反饋的原因很簡單。 聲音進入麥克風,通過電線傳播,經由擴音器令聲音放大,在一個環狀物內繞來繞去,每次令聲音比上一次更大。如果沒人阻止,反饋能夠破壞音響系統。

蟲洞也會遇到這種問題,只不過聲音換成了輻射。一旦蟲洞變大,大自然的輻射物會進入,最終形成一個環路。反饋變得如此強勁,最終摧毀蟲洞。雖然 微型蟲洞確實存在,也有可能在某一天不斷膨脹,但持續時間不會太長久,所以不能當作時間機器使用。這是沒人能及時回到我晚會的真正原因。任何通過蟲洞和其 他方式回到過去的時間旅行或許都是不可能的,否則,悖論就會出現。

因此,遺憾的是,回到過去的時間旅行應該永遠不會上演。對于尋找恐龍的人來說,這會令他們大失所望,但對于歷史學家而言,他們可以徹底解脫了。 故事到此並未結束。這並沒有使所有的時間旅行不可行。我確實對時間旅行深信不疑,對通向未來的時間旅行更是如此。時間就像河流,我們每一個人仿佛被時光的 流動無情地卷走,只不過時光是另一種形式的河流——以不同速度、在不同地點流動,這是通向未來的“鑰匙”。

一百多年前,愛因斯坦最早提出了這一概念。他認為,世上應該存在讓時間慢下來的地方,以及讓時間加速的地方。他絕對是正確的,證據恰恰就在我們 的頭頂。這便是全球定位系統,簡稱GPS。一個衛星網絡正在地球周圍軌道運行,它們使得衛星導航成為可能,同時還表明時間在太空的運行速度快于在地球上。 每一艘太空飛船內部都是一台運行精確的鐘表。雖然如此精確,但每天仍會快十億分之一秒左右。

衛星導航系統必須為此做出矯正,否則,微小的差異就會擾亂整個系統,令地球上所有的全球定位系統每天都會出現大約6英里(約合9.7公里)的誤 差。你可以想象由此造成的後果。鐘表並不存在這樣的問題,走得快是因為時間在太空比在地球運行快。造成這種非同尋常影響的原因是地球的質量。愛因斯坦發 現,物質會減緩時間運行速度,就像是河的下游一樣。物體越重,對時間的阻力越大。這種驚人的事實為通向未來的時間旅行開啟了大門。

引力無窮的超大質量黑洞

恰恰在銀河系中心,距離地球2.6萬光年遠的地方,擁有銀河系中最重的天體——一個質量相當于四百萬個太陽的超大質量黑洞,在自身引力作用下, 它被壓縮為一個點。距離這個超大質量黑洞越近,遭遇的引力就越強。一旦距離其過近,連光線都無法逃脫,會被吞噬。這樣的超大質量黑洞對時間具有顯著的影 響,令其減緩的速度遠遠超過銀河系中的任何物體。這使得它是台“天生的時間機器”。

我喜歡想象宇宙飛船如何能充分利用這種現象。如果某個航天機構正在控制從地球發射的探測器,他們會發現繞軌道運行一圈的時間為16分鐘。對于飛 船上的勇敢者來說,靠近這個超大質量物體,時間就會慢下來。在這里,引力影響遠比地球引力極端。機組人員的時間將會減慢一半。對于原本每圈要耗費的16分 鐘,他們其實僅經歷了8分鐘。

想象一下,當飛船及機組人員繞這個黑洞運行五年時,別的地方已經過去了十年。當他們回到家鄉,地球上的人比他們老了五歲。所以,超大質量黑洞就 是一台時間機器,當然,這還不是非常的實用。超大質量黑洞之所以比蟲洞更有優勢,是因為不會激發悖論。此外,它不會因反饋走上自我毀滅之路。

然而,通向未來之旅並非一路坦途。地球距離未來世界漫長無邊,讓我們距離未來非常遙遠。幸運的是,我們還有另一種時間旅行方式,這也是我們建造 貨真價實的時間機器最後、也是最大的希望。旅行速度必須超級快,甚至比避免被吸進黑洞所需要的速度還快。這是因另一個涉及宇宙的奇怪事實所致。宇宙中存在 著速度限制,即每秒鐘18.6萬英里(約合30萬公里),亦稱光速。

任何物體不能超越這一速度。這也是科學界最成熟的理論原則之一。無論是否相信,以接近于光速的速度旅行可以將你送達未來世界。要想理解這一點, 我們可以想象一個具有科幻色彩的交通系統——一條遍布地球周圍的軌道,為超高速火車準備的軌道。我們將利用這列想象出來的火車,盡可能地接近于光速,看它 如何變成一台時間機器。列車上的乘客購買了通向未來的單程車票。火車開始加速,越來越快,不久開始繞地球一圈圈運行。

如何突破速度限制

達到光速意味著繞地球運行速度要飛快,比如每秒鐘繞7圈。不過,無論這列火車的動力有多強勁,它永遠也無法到達光速,因為物理學原理令其做不到 這一點。假設它接近光速,距離這一終極速度還有一點距離。現在非同尋常的事情發生了。列車上的時間相對于地球開始減緩,就如同靠近超大質量黑洞一樣,而且 有過之而無不及。列車上一切物體的活動都變慢。這是為了保護速度限制,原因並不難理解。

想象一個孩子跑向迎面而來的火車。他前沖的速度增加至列車的速度上,所以,他難道不能在意外中突破速度限制嗎?答案是否定的。自然規律會令列車 上的時間減緩,使得這一幕永遠不會發生。這個孩子跑得再快,也不能打破速度限制。時間總是會減慢,足以“保護”速度限制。這一事實源于耗費多年踏上未來之 路的可能性。

想象一下這樣的場景︰2050年1月1日,一列火車離開車站,繞地球軌道一圈又一圈,直至100年以後,最終在2150年新年夜停下來。此時, 乘客們在世上的時間也只剩下一周,因為身在火車上,時間過得非常慢。當他們離開火車,會發現一個完全不同于車上環境的世界。在一周內,他們已經在通向未來 的道路上前進了100年。

當然,建造一列能達到這種速度的超高速火車的可能性微乎其微。不過,我們已經在位于瑞士日內瓦的世界最大的粒子加速器——大型強子對撞機——建 造了這樣的裝置。大型強子對撞機位于瑞士和法國交界地下100米深處一條總長16英里(約合25.75公里)的環形隧道內,一旦開足馬力,這台對撞機能在 瞬間從零加速至每小時6萬英里(約合每小時9.7萬公里)。

令動力和粒子的速度變得越來越快,直至它們能以每秒1.1萬圈的速度繞隧道運行,這時,速度將接近于光速。但是,就像是上面描述的那列火車一 樣,它們永遠無法到達這一終極速度,最快只能達到光速的99.99%。發生這種情況的時候,進行時間旅行是不切合實際的。由于一種稱為兀介子的“短命”粒 子,使我們了解了這一點。通常情況下,兀介子會在250億分之一秒內分解。當它們被加速至接近光速時,壽命是以前的30倍。

“天上一日,地下一年”

情況的確就那麼簡單,如果我們想踏上未來之旅,那麼速度必須快。我認為實現這一目標的唯一途徑是進入太空。在人類歷史上,速度最快的載人飛船 “阿波羅”10號,速度為每小時2.5萬英里(約合每小時4萬公里),但要實現在時間中旅行,我們的速度必須是“阿波羅”10號速度的2000倍。按照這 種思路,我們應該先制造一個巨大的飛船,里面可以裝載著巨量燃料,令其加速至接近于光速,在全負荷動力運行下,實現這一目標仍需要六年時間。

由于飛船如此的龐大和沉重,最初的加速度相對平緩。隨著時間的推移,飛船速度非常快,不久即覆蓋廣大區域。一年以後,我們到達了系外行星。兩年 後,它的速度將達到光速的一半,距離太陽系越來越遙遠,再過兩年它可能會已經達到光速的90%。在發射四年後,飛船距離地球30萬億英里(約合4.8萬億 公里)遠,這意味著飛船將開始時間旅行,屆時,它的速度接近于光速,在船上呆一天,相當于在地球上呆兩天。

再經過另外兩年全負荷動力飛行,飛船將到達其最高速度——相當于光速的99%。在這一速度下,在船上呆一天,那就意味著在地球上度過一年的時 間。飛船確實“飛進”了未來。時間變慢還有另一個優勢,從理論上講,這意味著我們一生當中可以跨越無盡的距離。探索銀河系邊緣之旅將耗費80年的時間。

然而,未來之旅真正驚奇之處在于,揭示整個宇宙有多麼的奇特。在宇宙中,不同的地點,時間運行的速度不同;微小的蟲洞存在于我們周圍每一個角落;最終,我們將利用掌握的物理學知識,成為穿越第四維的真正宇宙旅行者。

 

資料來源:fdzone

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