《星際穿越》硬核科普系列，帶你探索最真實的宇宙！ 《星際穿越》中你不瞭解的時間機器，和黑洞中的三個奇點

各位好 歡迎收看本期虧索鏡 我是小蔣 今天是星際穿越硬核科普系列的第14期了 也是最後一期 之前我是萬萬沒想到一部電影能做14期視頻 再次感謝大家的支持和鼓勵 本期視頻分爲兩大部分 咱們先接着上一期講一講如何從五維時空向四維時空的過去傳遞信息 和時間機器的運行原理 之後再講一講電影中的核心問題之一 量子數據 上期我們講到五維超立方體的結構 以及它是如何停靠在三維世界和三維世界產生聯繫的 那庫巴是怎麼給他的女兒莫非傳遞信息的呢 首先我們需要知道電影中的兩個設定 第一不能穿越回過去 注意庫巴在超立方體中雖然看到了過去 但是他並沒有穿越回過去 他也不能傳遞任何的信息回過去 第二個規則是引力可以把信息傳送到我們宇宙模的過去 當庫巴在超立方體中的時間線上穿來穿去的時候 相對於我們的宇宙來說 他確實是在逆時間旅行 一會兒是女兒小時候 一會兒又到了幾十年後 但是他並沒有也不能進入我們的世界 只能遠遠的看着 超立方體的空間裏面是四維的 我們三維空間的物質是無法進入到四維空間的 他只是藉助通過莫非臥室發出的光線看到了臥室裏面的景象而已 在莫非與庫巴之間存在着一個時空的屏障 一個維度的結界 光線只能出不能進 但是我們知道在多重宇宙中 引力雖然極其微弱 但它卻是可以衝破這套屏障的唯一的力 也就是說引力信號是可以沿着時間逆行的 引力可以通過庫巴傳遞給莫非 電影中我們也看到庫巴拼命的拍書架 書就掉了下來 但引力具體是如何逆向傳播的呢 這裏我們還需要再講一下上一期講過的臥室延伸體 這個延伸體是一系列物質穿過臥室的截面 它們沿着藍色的方向從左至右在臥室的時間軸上前進 臥室裏的每個物體哪怕是一粒灰塵都是延伸體的一部分 所以一本書也有它自己的延伸體 這本書作爲更大的臥室延伸體的一部分 沿着藍色箭頭指示的時間向前流動 物理學家們稱這種延伸體的變化爲書的世界管 書中每個物質粒子的延伸體就是粒子的世界線 世界線組成了世界管 電影中庫巴又一次用拳頭猛擊書的世界管創造了一個引力波 這個引力信號逆時間到達他當時看到的臥室時間 然後引力正好作用在書的世界管上 作爲對引力的回應 書就乖乖的發生移動 當庫巴從塔斯那裏接收到量子數據的時候 顯然已經熟練掌握了這種交流方式 庫巴把量子數據轉化成摩斯電碼 十分精細的推動了手錶指針的世界管 它的推動力產生了一個延時間逆行的引力 使得指針不停的顫動 因爲超粒方體儲存了這種顫動模式 所以它可以不停的一遍又一遍的重複 30年後 莫菲爾已經40歲了 他回到臥室時發現指針依然在顫動 一遍又一遍 那麼既然引力可以逆時間穿行 那我們行不行呢 如果蟲洞是被物理定律允許的 那麼愛因斯坦的相對論就允許時間機器的存在 而且蟲洞的連通是可以自然發生的 不需要任何超體生物的幫助 看這張圖 藍色的薄膜代表我們的宇宙膜 右下角有一個黑洞 箭頭標示了它的方向 在黑洞的上邊 宇宙膜的兩端相互連接 上開口遠離黑洞 而下開口離黑洞很近 因爲黑洞的引力非常大 根據相對論可以得出蟲洞下開口的時間流逝速度比上開口要慢很多 圖中彎曲的紫色虛線代表的是穿越外部世界的路線 再來看蟲洞的內部 根據相對論 蟲洞內部幾乎沒有引力 所以蟲洞裏面的時間流逝速度趨近於零 時間幾乎停滯了 所以當你穿過蟲洞的時候 上開口和下開口這兩個地方的時間流逝速度將會保持相同的速率 比如你三點進去繞一圈 出來的時候還是三點 好 現在我們假設上下開口的距離很短 你可以走虛線五分鐘到達 也可以穿過蟲洞一分鐘到達 那麼這個蟲洞就已然變成了一臺時間機器 具體是怎麼回事呢 你看啊 如果你在兩點的時候離開上開口穿過外部世界 在兩點零五分到達下口 下開口的時間慢 對吧 假設慢一個小時 那用下開口的時間來算 你就是一點出發一點零五到達 對吧 這裏大家不要覺得很玄乎啊 我們的衛星時間和地表時間也會因爲引力的變化而變化 是需要事實校準的 然而 你從下開口穿過蟲洞到上開口的時間並沒有變 仍然是一分鐘 所以你從下開口出發到達上開口的時間是一點零六分 這裏需要留意一下 這個一點零六分 無論是上面還是下面的時鐘 顯示都是一樣的 還記得你出發的時間是兩點嗎 這樣你是不是就回到了自己出發時間的54分鐘以前了 但是這樣的時間機器會有一個比較嚴重的問題 比如說一個光子 返回的時間正好是它出發的時間 一個光子就會變成兩個光子 然後是四個八個16個 這樣以來 蟲洞的能量就會迅速的增強 眨眼間蟲洞就被自己的引力摧毀了 而且有很多東西是無法屏蔽的 比如說具有超高頻率的光子的量子漲落 霍金非常確信的說 時間機器根本就不存在 物理定律將阻止回到過去的時間旅行 從而避免歷史被改寫 實際上我們也沒有見過未來的人穿越回現在 這個問題只有量子引力理論能給出確切的答案 可惜的是我們對之知之甚少 上面所說的理論只有在大型五維超體不存在的情況下才成立 如果真的有一個超體 就像星際穿越裏面的那樣 那時間旅行又會是什麼樣子的呢 愛因斯坦的相對論是那麼的精確 那麼的優美 它在我們的三維世界中管用 那麼在四維空間中還管不管用呢 蘭道爾教授通過一個簡單的步驟 把相對論擴展到了五維超體中 也就是給空間增加了一個維度 如果這種推測性的拓展是對的 那麼時間在超體中與我們的宇宙膜表現基本一致 意思就是超體裏的物體和信號只能隨着當地時間沿着一個方向運動 向着未來 它不可能穿越回過去 如果非要在超體中逆時間旅行的話 只有一種可能 跳出超體空間 然後在旅程開始前返回 我們之前說過啊 超體的表面是三維的 內部是四維的 而且都是超體的一部分 墨菲臥室裏的所有物體都處在三維的表面上 爲什麼我們看不到超體的內部 因爲光線只能穿過三維空間 而不能穿過四維空間 電影中 當量子數據安全的傳給墨菲以後 庫珀的任務就完成了 此時帶着他穿越超體的超立方體開始關閉 就在關閉的時候 庫珀看見了蟲洞 在蟲洞中 他看見永恆號正在去往卡鋼毒藥的路上 而且他在引力的作用下觸碰到了布蘭德 布蘭德還以爲是超體生物呢 稱之爲第一次接觸 其實只是一個迅速關閉的超立方體中 正在穿越的人類一個更老的庫珀而已 墨菲拿到了量子數據以後 成功的找到了減小地球內部引力長壽劑的方法 引力定律很簡單啊 劑減小一半 引力就會減小一半 當引力長壽減小到千分之一的時候 只需要一小會 火箭就可以把巨大的生命飛船送入太空 但是這樣會有一個極其嚴重的副作用 引力減小以後 地球會向外膨脹 將地球表面向上推 前所未見的地震海嘯必定會接踵而至 整個地球會變得慘不忍睹 當引力恢復到原來的值以後 地球又會縮回去 除非他們能局部的控制引力 不過這是我們人類暫時無法描述的 雖然代價很大 但終歸是讓人類倖存了下來 人類像病毒一樣毀滅地球生態系統以後 終於不得不在監牢一樣的殖民飛船裏生活 這算是報應吧 庫珀和94歲的女兒團聚以後 又向着宇宙的深處進發 找布蘭德去了 電影中一直在說量子信息 他們相信這個信息一定存在於黑洞中心的起點裏面 而且羅米利還預言說 這是一個溫和的起點 那麼究竟啥是量子信息 它怎麼幫助求解方程 而溫和的起點又是什麼呢 從根本上說 我們的宇宙就是建立在量子理論的基礎之上的 我們所生活的世界就是高度數學化和高度量子化的 所有的東西 萬事萬物都在隨機的漲落 不管是什麼 多少都有點 只不過在大尺度上是感受不到的 但是當我們用高精度的手段去觀測微觀世界的時候 就能看到很大的漲落 一個原子中電子的位置總是在隨機而且快速的漲落中 所以電子的位置是測不準的 我們只能用概率去描述 電子出現在某個地方的概率 當我們去觀測大的物體的時候 也能看到漲落 前提是我們的儀器足夠靈敏 在萊狗引力波探測器中有一個40公斤重的鏡子 這個鏡子的位置隨機漲落的幅度是一個原子大小的百億分之一 這是多麼小的一個數字 但是呢 萊狗的激光束可以消除這些隨機漲落對引力波探測器的影響 這些漲落包括浮動的泡沫和精緻的微小的蟲洞 這樣的泡沫和蟲洞我們稱之爲量子泡沫 其尺度可以小到普朗克尺度 就是小到不能再小了 如果布蘭德教授能夠發現量子引力理論 在忽略掉這些理論的漲落之後 就可以推導出方程的精確形式 這種精確的方程將告訴他引力異常的起源 還有如何控制這種異常 以及如何利用它們將致命飛船送出地球 老教授很明顯是知道這一點的 而且他還知道在哪裏能夠獲得量子引力理論的關鍵數據 那就是起點的內部 起點用我們已經掌握的理論是解釋不了的 我們只能嘗試去推測 一個起點開始於時空灣區無限增長的地方 通常這個地方在黑洞的內部 在那裏時空灣區會變得無限強 如果我們把宇宙的灣區空間設想成波瀾壯闊的海洋表面 那麼起點就像海浪上那個即將破碎的頂點 而起點內部就像頂點破碎之後產生的泡沫 平緩的波浪是由物理定律決定的 對於是愛因斯坦的相對論 而破碎的泡沫對於就是量子引力理論 除非我們掌握了量子引力理論 否則我們沒有辦法知道起點裏面到底發生了什麼 1991年 基布索恩跟霍金打了個賭 是關於裸起點的 基布認爲物理定律允許裸起點的存在 而霍金則認爲那是被禁止的 僅僅五年之後 就有人在超級計算機上模擬出了引力波的內向爆炸 當爆炸後的衝擊波比較弱的時候 它在向內爆炸之後就會發散開 而當它比較強的時候 這種波會向內聚集成一個黑洞 當它的強度被精確的調到一個合適的中間值的時候 這個波就會造成時空沸騰 這種沸騰不斷的向外發出越來越短的引力波 最後就會形成無限小的裸起點 很明顯 這種起點是不可能存在於自然界當中的 但是一個異常先進的文明說不定可以精確的調整內向的引力波爆炸 進而製造起點 你看這個模擬 霍金就認輸了 不過是技術性認輸 人工調整參數明顯是勝之不武 所以後來賭約上又加了一句起點必須自然的產生 畢竟霍金認輸是一件大事 雖然他逢賭必輸 其實科學家都特別的好賭 還有一個專門給科學家記錄賭局的網站特別的有意思 感興趣的話以後可以說一下 在電影中 曼恩博士也斷言 自然法則不允許裸起點的存在 在上個世紀60年代 科學家們認爲在起點上物質會被壓縮 直到密度無限大 然後被摧毀 一直到現在 很多書裏還是這麼說的 1971年 三位蘇聯物理學家預測到了一種新的起點 並於21世紀初得到了證實一個穩定的起點 bkr起點 那麼黑洞當中只有一個起點嗎 20世紀80年代科學界還普遍的認爲黑洞只有一個起點 就是上面說的bkr起點 但是1991年 兩位科學家發現了黑洞裏的第二個起點 隨着黑洞慢慢變老 這個起點也在逐漸的長大 如果你掉進一個像卡房多亞那樣的超大質量的自選黑洞 在你掉進去之後 肯定還會有很多其他的物質掉進去 比如氣體 塵埃 光 引力波等 從黑洞外面看 這些東西得幾十億年才掉得進去 就像是靜止了一樣 但是從黑洞裏面看 那可能只是幾秒鐘的事 因爲你的時間更短 結果就是這些掉進來的東西全都堆積到了一個薄片上 而且它會以光速朝着黑洞裏面的你落下去 這個薄片能產生很強的潮汐力 當潮汐力增長到無窮大時 會形成一個下落起點 直到21世紀前十年的時候 大家都認爲黑洞裏面只有兩個起點 一個是黑洞誕生時產生的bkr起點 另一個是隨後產生的下落起點 但是到了2012年末 第三個起點被發現了 這個起點叫做外飛起點 它也會隨着黑洞的年齡增長而增長 其實與下落的起點一樣 也是由掉進去的物質組成的 其中一部分被黑洞裏彎曲的時空反彈 然後向你的方向飛出來 就像太陽光被光滑的表面反射出來一樣 和下落起點一樣 外飛起點的潮汐力也是相對溫和的 注意只是相對溫和 它掉下去之後也不知道到底能不能活下來 不過不得不說 跳進一個黑洞可以算得上是宇宙中最壯觀最華麗的死法了 庫珀雖然進入了黑洞 但是布蘭德從永恆號上看時 卻永遠也看不到巡邏者號進入世界 庫珀在世界之內給布蘭德發的信息也無法傳出去 因爲世界之內的時間流動是向下的 會拖着庫珀以及他發出的所有信號一起向下 假設永恆號停在那裏觀察的話 他將看到巡邏者號越來越慢 直至凝固 同時他將看到巡邏者號的光子波長越來越長 顏色越來越紅 不過庫珀在黑洞裏面可以接收到外界的信息 那麼庫珀在黑洞裏面都看到了什麼呢 當庫珀向內墜落的時候 他仍然能看到外部的宇宙 因爲他的掉落被加速了 只不過他看到的外部宇宙會稍微小一點 他在下落的過程中也有可能會追上比他下降速度慢的東西 這可能就是電影中撞上巡邏者號的白色碎片 好了 最後一期內容也講完了 這部電影從構思到最終的上映花了九年的時間 中間換編劇換導演 整個過程可謂是一波三折 九年後 這部電影超越了所有人的期待 電影中不僅包含了大量的科學知識 進行穿越中潛在的樂觀打動了更多的人 雖然我們生活在一個被物理定律支配的世界 但我們人類有能力去發現 去探索 去掌握這些規律 即使沒有超理生物的幫助 未來人類依然有能力去應對宇宙中的災難 不過前提是不要被自己毀滅 我們由星辰所駐 如今眺望群星