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文科生如何读懂相对论?


来源:凤凰文化

一直以来,你一定会有这样的疑问:永恒流淌的时间,是真的摸不着看不见,还是有形状和终点?我们所处的空间,是三维四维还是五维?我们能不能踏上时光机,任意穿越时空回到过去和未来?

一直以来,你一定会有这样的疑问:永恒流淌的时间,是真的摸不着看不见,还是有形状和终点?我们所处的空间,是三维四维还是五维?我们能不能踏上时光机,任意穿越时空回到过去和未来?这里一本人人都能读懂的相对论,用通俗幽默的语言讲解深奥的科学道理。这不是一本书,这是一个全新的宇宙观。

书名: 《时间的形状:相对论史话》升级版

作者: 汪洁著

出版社:北京时代华文书局

出版日期:2017年4月1日

时间旅行

让我们先从最让你感到激动的时间旅行开始说起吧。

现在这年头,穿越类的小说真多,俨然都成了各大文学网站和影视剧的一个大类,各种各样的穿越手法真是五花八门,令人眼花缭乱,不过那种月光宝盒式的无厘头穿越不在我们今天讨论范围之列。偶尔你也会看到一些对穿越行为的“科学原理”的描述,其中最多的是说“根据相对论,只要速度能超过光速,我们就可以回到过去” 。各位,以后凡是看到这种利用超光速穿越的小说,可以立即定义为“科盲幻想小说”,简称“盲想小说”。这种“根据相对论,超光速就能穿越”的科学原理简直自相矛盾得一塌糊涂。相对论的一个最基本的原理就是光速是任何运动的速度极限,是不可能被超过的,而一旦允许超光速运动,那么相对论本身就被推翻了,又何谈“根据相对论”呢?这是一个显而易见的自相矛盾,那么多的“盲想小说家”把这个奉为至宝——但凡穿越,必超光速,实在是让我异常惊讶。我一个朴素的愿望是芸芸穿越小说家们能随手翻翻我这本书,就是编也要编得靠谱一点。

那我们来了解一下真正的物理学家研究的时间旅行到底有一些什么样的科学原理和依据吧。

时间旅行是广义相对论研究的课题,目前全世界确实有很多严谨的科学家在探讨这方面的可能性。根据广义相对论,引力会使时空弯曲,引力越强,则时空的弯曲程度越大。也就是说,根据广义相对论的这个原理,我们会发现时空不是平坦的,时空是有形状的。我知道我这么说还是让你感到不太容易明白,那么我就来打一些粗糙的比喻来帮助你理解。我们首先把时空想象成一张纸,我们在时空里面运动,就好似沿着纸面运动,但是请注意一点,如果这张“时空纸”延伸的方向表示时间这个维度的话,那么我们只能朝着一个方向运动,因为时间维是只能朝一个方向运动的,这是时间维的物理性状。

但是请千万注意一点,在爱因斯坦的时空观里,这张纸是不平坦的,有起伏,有褶皱,我们在“时空纸”上的运动就像在崎岖不平的山路上走路一样,是高高低低的。

现在假设我们在一个平坦的时空中,上午8:00点出发,从时空的一头运动到另外一头,到达终点的时候,刚好是上午9:00点。(注意,前面我们已经说过,任何物体在时空中运动的速度都是光速,所以,在这个比喻里面,你就不要再问我们的运动速度是多少这样的傻问题了)。现在再假设我们经过的这段时空被某种力量弯曲了,那么我们达到终点的时候,会变成上午8:30;如果弯曲的更厉害一点,我们就会在8:10分到达终点。

现在是重点来了,如果时空这张纸被弯曲了成一个莫比乌斯带的形状,头尾相连了起来,你就有可能在7:50达到终点。也就是说你沿着弯曲的时空走了一圈回来以后,发现到达的时间比你出发的时间竟然还早。这意味着你回到了过去。

因此,在广义相对论中,时间旅行的科学原理是通过一个时空的圈环来回到过去,这个时空圈环在《时间简史》这本书中被霍金称为“类时闭合曲线”(有点拗口,我更喜欢我翻译的“时空圈环”)。爱因斯坦的狭义相对论是不允许时间旅行的,等到广义相对论刚刚诞生的时候,爱因斯坦也不认为时空能弯曲成一个圈环。直到1949年,他的好朋友——大数学家哥德尔(Godel, 1906-1978)在广义相对论方程中发现了一个解,这个解居然允许宇宙中这种时空圈环存在。爱因斯坦当时就震惊了,但随后他就自己意识到这个时空圈环正是自己和助手罗森一起发现的“虫洞”的某种特性(还记得我们在第五章最后讲到的爱因斯坦—罗森桥吗)。

所以,靠谱一点的时空穿梭原理一般都要借助虫洞来完成,以后看穿越小说记得先翻翻有没有提到爱因斯坦罗森桥或者虫洞什么的。

非常抱歉,前面出现了一个让你莫名其妙的名词——莫比乌斯带。不是我故意不解释,而是这个东西实在是太迷人了,我非得另起一段单独讲讲才觉得过瘾呢。莫比乌斯带,也经常被叫做魔比斯环,或者梅比乌斯带、麦比乌斯带等等,都是翻译带来的麻烦,英文名称是Mobius Strip。这是诸多科幻小说、科幻电影经常出现的一个神奇事物,它往往象征着时空穿梭。以它的发现者莫比乌斯命名,到现在也快有两百年了。

莫比乌斯带

看到没,上面这个就是莫比乌斯带,其实就是把一张纸条的一头拧半圈然后和另一头粘起来,形成一个圈圈。但是你千万千万不要小看这个圈圈,这个圈圈有着许许多多迷人的特性。如果你在这个圈圈上跑步,你就可以一直往前跑,不用翻越任何边界而跑过所有的面。如果你拿一只毛笔,沿着纸面只用一笔就可以把颜色涂满整个纸带。这个圈圈和我们平常认识的任何像手镯这样的圈圈不同,这个莫比乌斯带这只有一个面,如果你沿着手镯表面的中线一刀剪下去,那么手镯就会一分为二成为两个各自独立的手镯。但是神奇的是,如果你同样沿着莫比乌斯带的中线剪一圈,你会发现,这个莫比乌斯带不会一分为二,而是会成为一个更大的一个圈圈。然后你再沿着这个圈圈的中线剪开,你会神奇地发现这次剪出了互相嵌套在一起的两个圈圈。然后把两个圈圈再各自沿着中线剪开,又会变成互相嵌套的四个圈圈。这么剪下去永无止境,最后圈圈套圈圈复杂得可以把你搞疯掉。你是不是很有冲动去试试看了?别忙,还有更有意思的特性。首先来跟我认识一下所谓自然界中的“左右手系”对称。想一下左右两只手套,这两只手套你怎么看他都像是对称的,但问题是,如果你不把手套在空间中翻一个面的话,你永远也无法把两只左右手套完全重合地上下叠在一起,就好像你怎么也不能把左手套在不翻过一面的情况下戴进自己的右手中。不过,如果你让一只左手套沿着莫比乌斯带转刚好一圈(不是两圈),这只手套就会翻过一面成为了一只右手套,但是请千万记住它的神奇之处就在于:如果手套有感觉的话,它根本不会发现自己其实被翻过了一个面,在它的感觉中,它只是沿着一个面不停地运动,不知怎么的就从左手系变成了右手系,再运动一圈又变回了左手系。真是要命的感觉。

伽莫夫写的著名的科普经典《从一到无穷大》中就说,如果类似莫比乌斯带这样的事情也能发生在三维空间中,我们的鞋子制造商就会大为欣喜,他们只要生产左脚的鞋子,然后通过莫比乌斯空间传送带转一圈回来,就成了右脚的鞋子,真是爽死了。而一个人如果上了这个莫比乌斯空间传送带,转一圈回来则发现自己的心脏跑到右边去了,这就不爽了。但问题是,两维的纸片做成的莫比乌斯带我们很好想象,那到底有没有三维的物体形成像莫比乌斯带这样神奇的左右手系互转的形状呢?答案是有的,1882年德国数学家克莱因(Klein,1849-1926)找到了一种以他名字命名的模型,叫做“克莱因瓶”。

克莱因瓶

瞧瞧,就是这种极其怪异的瓶子(但这仅仅是克莱因瓶的近似样子,真正的克莱因瓶是没法直接做出来的,因为真正的克莱因瓶是不会互相穿过的,这需要一点空间扭曲的想象力)。你盯着他看三分钟,想象你在这个瓶子的表面跑步的情景,我保证你会越看越神奇,越看越觉得不可思议,直到逻辑彻底混乱为止。好了,咱别看瓶子了,继续看书。你想象一下,如果时空扭曲成这种神奇的形状,那么你就完全有可能坐着宇宙飞船从21世纪出发,到19世纪返回,穿越了一个世纪的时间,如果继续往前又会返回21世纪。

太神奇了,物理学家居然真的给他们搞出了一套回到过去的理论。但是很快,人们就发现如果允许回到过去的话,会产生一些逻辑上的悖论,或者说一些怪圈。比如最著名的祖母悖论,你可能早已耳熟能详了,就是你如果回到过去杀死了你的祖母,那么既然你祖母既然死了,你又怎么能存在?你不存在了又怎么能回去杀死你的祖母呢?我总觉得这个故事写得拗口不已,完全没必要这么复杂的嘛,简单说来就是如果你回到过去杀死以前的自己的话,又怎么能有后面的你回到过去自杀呢。

总之,这样的祖母悖论型的逻辑悖论我们随便就能想出很多很多。有一个最变态的悖论说的是,你在未来给自己做了变性手术,然后回去找到自己,和原来的自己生下了自己。我真服了想出这个逻辑悖论的“淫”(人)。这些悖论又如何解决呢?物理学家们研究广义相对论,确实用严谨的数学方法论证出了时空圈环的可能性,但是祖母悖论又显然在挑战我们的常识,没有人能接受祖母悖论会真的发生。

现代的物理学家们为此争论不休,想出了各种各样的解决方案来避免逻辑悖论的发生,有代表性的解决方案有这么几种:

第一种,叫做自由意志丧失说。物理学家说所有该发生的历史都已经发生了,你不可能改变这个历史,所以一旦你回到过去,你就会丧失自由意志,你完全被历史所控制,你无法改变任何历史的一丁点。

第二种,叫做时空交错说。物理学家说你是可以回到过去,但是你回到的那个时空和真实的历史时空是平行纠缠在一起的,但永远不可能相交,你可以看见历史,但不能影响历史。这个我听懂了,不就是说“只能看,不能摸”嘛。

第三种,叫做多历史说。这个理论首先是由一个叫费曼(Feynman,1918—1988)的美国物理学家提出来的,他说历史不止有一个,你可以回去杀死你的祖母,你也可以回去干任何事情,甚至杀死罗斯福让希特勒取得胜利,什么都可以干。但是请记住,你影响的那个历史和我们这个世界的历史不是同一个。换句话说,当你干下了任何改变历史的事情时,世界就分裂成了两个世界,在我这个世界中希特勒倒台了,在你那个世界中希特勒最后成了全世界的偶像。说老实话,这个理论真够疯狂的,为了让时间旅行合理,动不动就克隆出无数个世界出来。但恰恰是最后这个看起来最疯狂的理论,却得到了最多物理学家的支持,包括像霍金这样的大科学家也支持该理论(霍金《大设计》)。这就是现在大热的“平行宇宙”说。

[责任编辑:冯婧 PN041]

责任编辑:冯婧 PN041

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