用現有物理知識能造出時光機來嗎?黑洞理論竟是關鍵?丨黑洞戰爭 3丨AC茂的模
黑洞可以用來製造時間機器嗎?
線上結論,可以,但又不完全可以
衆所周知
我們的宇宙中存在着無數的黑洞
最簡單的一種被稱爲史瓦西黑洞
這是一種不帶電不旋轉的黑洞
由一個起點和事件世界組成
世界是一個有去無回的單向膜
任何物體一旦越過就再也無法回來
只能不可避免地落入起點
如何理解這個說法呢
舉例來說
想象宇宙是一個巨大的水庫
一些魚生活在這個水庫中
水庫中有一條基本規則
除了水自身外
任何事物都無法超過音速
水庫底部有一些排水孔
水會通過這些排水孔排出去
如果我們從上往下看這個水庫
會發現周圍的水不斷流向排水孔
離孔越近的地方水速越快
假設排水孔中心處的水流速度是超過音速的
那麼在離排水孔較近的某個臨界點
水流的速度應該剛好等於音速
現在有一條魚游到了這個臨界點
它雖然暫時還沒有感覺到有什麼異樣
但它的命運已經註定了
那就是不可避免地落入排水孔
即使它向其他魚求助
求助的聲音也無法傳播出去
這是因爲信號是由音速傳播的
而水流的速度剛好等於音速
因此它完全抵消了聲音向外傳播的速度
求救的聲音永遠也傳不到其他魚那裏
把這個粒子中的水換成空間
把音速換成光速
就很容易理解黑洞以及時間世界的概念了
要注意的是
一個人到達世界
只意味着他將不可避免地落入起點
並不代表他馬上會死
他的命運如何
還要取決於黑洞的半徑和質量
如果你學過一點點廣義相對論
就可以通過簡單的計算得出結論
黑洞的半徑和質量越大
世界處的潮汐力就越弱
如果你不幸落入了一個超大質量黑洞的世界
你雖然不會馬上被潮汐力撕碎
但依然無法改變落入起點的必然命運
這只是個時間問題
對太陽質量般大的黑洞而言
這個時間大約只有十微秒
而對於類似於銀星黑洞這樣的大質量黑洞而言
這個時間將會是十億微秒
也就是半小時左右
那麼如果存在一個足夠大的黑洞
你就可能在到達起點之前
像正常人一樣在裏面度過一生
甚至還可以結婚生子
然後子孫後代繼續在裏面生存
鋪墊就說這些
接下來進入主題
黑洞可以用來製造時間機器嗎
這要看你怎麼定義時間旅行
如果是既可以去未來
也可以回過去的那種時間旅行
理論上說是不可能的
雖然物理學上並不存在真正意義的未來和過去
但回到過去會產生一系列諸如祖父悖論之類的問題
霍金曾在1992年的一篇文章中提到
似乎有一個時序保護機制
防止閉合類時曲線的生成
從歷史學家手上保護了宇宙的安全
這被稱爲時序保護猜想
但黑洞確實可以用來製造時間機器
但是這種時間機器只有前進黨沒有到黨
也就是說你只能通過它前往未來
而不能回到過去
之前的視頻中
我曾提到過雙生子楊幼
坐在飛船上高速運動的張四
在返回地球后比呆在地球上的張三年輕了許多
這是由於狹義相對論的時間膨脹效應造成的
但這種時間旅行的方法效率比較低
因爲由高速運動造成的時間膨脹效應非常有限
更好的方法是藉助廣義相對論中
這種效應是普遍存在的
並不是必須發生在奇異的環境下
太陽表面也可以造成時鐘延緩
從地球上來看
太陽上的原子運動的要慢一些
1915年5月的日全時
人們觀察到太陽附近的天體位置出現了輕微偏移
這表明太陽的巨大質量造成了其附近空間的扭曲
從而使光路發生偏移
這是人類第一次觀測到引力透鏡效應
引力透鏡效應是時空在大質量天體附近會發生畸變
使得光線在經過大質量天體附近時發生彎曲
這是廣義相對論提出後的首個直接證據
不過要注意的是
它並沒有證明引力可以引起時間的延遲
1964年
美國天體物理學家夏皮羅
從光線在太陽引力場中偏軟之一事實中得到啓發
他認爲如果廣義相對論是正確的
那麼當無線電波在太陽系來回反射傳播時
會由於太陽的引力作用而減緩
1966到1967年間
通過觀測向金星表面發射的雷達波束返回地球所用時間
人們發現了波速減緩
這是首次觀測到引力造成的時間膨脹效應
不過想要製造時間機器
用太陽這種戰斧渣是不行的
必須使用黑洞這種氪金玩家
我們來看看黑洞這臺時間機器如何運作
操作它非常講究
絕不讓你直接跳進去
然後再從另一個黑洞鑽出來
首先
你需要一個環繞着黑洞的空間站和一條很長很長的繩索
把你放到世界附近
注意一定要提前算好世界的半徑
然後買繩索的時候找一家靠譜的生產商
像這樣短了還好
要是長了
反正保險公司是不會賠的
接下來在這個位置待上一段時間
再用空間站的腳車把你收回來
比如說你想去一百萬年後的未來
我們就可以找一個世界和我們的星系差不多大
質量剛好的黑洞
這樣在世界附近受到的潮汐力就完全可以忍受
然後你在那裏待上一陣子
當你被回收回來的時候
會發現一百萬年已經過去了
所以理論上說
黑洞的確可以作爲通往未來的時間機器
但它究竟是如何做到這一點的呢
這是因爲它可以引起時空幾何的強烈扭曲
扭曲使得世界線上不同位置處的效應不一樣
所以影響固有時流逝的方式也會不同
在離黑洞很遠的地方
它的效應是非常微弱的
固有時的流逝幾乎不受影響
但是由於時空的扭曲
懸掛在世界附近處的時鐘會明顯變慢
實際上不僅僅只是時鐘
也包括你自己的心跳
腦電波
新陳代謝
甚至是組成你的一切分子
原子的運動都會變慢
因此你完全不會注意到這種現象
只有當你回到空間站
將你手上的手錶和艙內的時鐘對比時
纔會注意到這種差異
有點像是天上一日地上一年那種感覺
事實上
返回空間站去觀測黑洞
對時間的效應並不是必要的
如果張三懸掛在世界附近
而張四在空間站裏
他們都各自用望遠鏡來相互看對方
張四看到張三連同他的時鐘的運動變慢了
而張三則會看到張四在瘋狂加速
就像開啓了倍速的視頻一樣
在大質量物體附近
這種時間的相對延緩
被稱爲引力紅移
這是愛因斯坦廣義相對論的又一個推論
在牛頓的引力理論中
並沒有與之對應的效應
因爲在牛頓的宇宙中
有一個標記着絕對時間的時鐘
以完全相同的速率滴答運行着
離黑洞世界越近
引力紅移效應越大
時鐘行走的速度就越緩慢
相對於黑洞外的時鐘而言
恰好在世界處的時鐘完全靜止
所以說
在科幻電影或科幻小說中常常出現的那種
可以穿越時空的黑洞是不存在的
不過
黑洞不行
不代表其他洞也不行
在1935年
愛因斯坦和納森·羅森在研究引力場方程時發現
宇宙中允許存在連接兩個不同時空的狹窄隧道
穿過它就可以做順時的空間轉移
或者時間旅行
他們推測黑洞的內邊界
可以通過這種隧道與遙遠的地方相連接
兩個相距幾十億光年的黑洞
可以在他們的世界處相連
形成一條穿越宇宙的捷徑
這兩個黑洞形成的橋
不再像是單個黑洞那樣終結於尖銳的起點
而是一個寬廣的時空區域
這就是著名的愛因斯坦·羅森橋
這個概念起初並沒有引起人們的重視
直到活王注意到它
併爲之取了蟲洞這個百萬文案
在哆啦A夢動畫片中
用了一個極爲簡單的例子科普了蟲洞的原理
蟲洞的最初構想是兩個連接的黑洞
所以黑洞可以作爲通往其他世界通道的這種說法
很可能就是由此衍生出來的
遺憾的是
這個理論中有兩個硬傷
首先
蟲洞是基於廣義相對論的數學解推導出來的
在理論上確實是可以存在的
但是它只能開放很短的一段時間就關閉了
蟲洞的開閉速度之快
以至於任何事物
包括光都無法從其中經過
雖然某些物理學家推測量子力學
可能通過某種方式來使得蟲洞穩定化
但目前還沒有任何確鑿的證據
其次
當時還沒有霍金輻射的概念
因此愛因斯坦和羅森研究的是一種永恆的黑洞
它不僅存在於無限的未來
而且存在於無限的過去
但是
即使是宇宙的年齡也不是無限大的
真實的黑洞都是起源於恆星或其他更重天體的坍縮
它們是獨立形成的
不可能產生愛因斯坦預言的那種連接
20世紀上半葉可以說是物理學的黃金時代
生活在那個時代的物理學家是幸福的
思維時空
同時的相對性
雙生子楊幼
時空彎曲
黑洞
蟲洞
以及時間機器
這些新奇的玩意兒不斷被證明是真實可靠的
是物理學家們都認同的毫無爭議的概念
不過
爲了能夠了解這些概念
物理學家們也被迫不斷強化自己的數學武器
微分幾何
張量微分
時空矩陣等等
來理解時空的新物理
但是同調和管相對論和量子力學所遇到的困難相比
甚至僅僅於從經典力學過渡到量子力學所遇到的困難相比
這些就算不上什麼問題了
因爲描述量子力學的工具是更加抽象的數學
無窮爲的希爾伯特空間
投影算幅
幺正矩陣等等
所有這些在之後的視頻中
我將會一一不講解
在量子力學誕生一時
一些人認爲量子力學無法與管相對論共存
應該被拋棄
但是如今
它卻成爲了一個比管相對論更加成功
應用更加廣泛的理論
而我們的故事黑洞戰爭
正是一場保衛量子力學的戰爭