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《时间旅行基础指南》
比最快再快一点
崔罗石    来源社团:中国海洋大学海洋生命...
得票 163 阅读 1479 评论 2
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· 首先题目就很吸引人,大概多数人也会很想看到最后了解到底如何时间旅行。其次,作者大体通过时间旅行这个线索介绍了不少相关物理学的理论,但并不会给人感觉太晦涩。比较喜欢作者在结尾的总结:“真正的时间旅行能否真正实现,我不得而知,但是我相信会有无数人会前赴后继的去尝试证明它可行或不可行。人类的过去只有大概二十万年,但未来还有很久,我们有足够久的时间去了解时间。”,从某种意义上也是一种科学探索精神的升华。 · 这是一篇做了充分准备的作品,否则不敢啃时间旅行这样的硬骨头。但也因为这个话题过于尖端和带有太多的不确定性,所以被挑刺乃至被批的体无完肤的可能性是完全存在的,但这不妨碍很多读者对这部作品的喜爱,尽管还有不少有待完善之处。关于这部作品带有调侃的表达风格,个人意见认为见仁见智,但不要为求时尚故意调侃就可。 · 说实话,“时间旅行”这样一个在学术界争议不断的,没有一个准确结论的话题并不适合做严肃科普,只适合做科学杂谈。而且稍有不慎就容易写成民科猎奇文。不过作者这边文章自我把控能力还好,在文中对于黑洞白洞还有时间空间定义的一些科普内容尚可。 · 作者非常努力地把前沿科学知识通过比喻、使用诙谐语言等多种方法介绍给读者,很值得肯定。但这篇文章的逻辑性、条理性还不是很强,主线也不明晰,结论也不明确,从总体上看,可读性还需进一步提高。 · 时空穿越是很多科幻小说的情节以展开的关键,也是很多科幻迷和青少年津津乐道的概念。但在科学研究中,时间旅行还仅仅停留在理论阶段,并没有具体实验的支撑。《时间旅行基础指南》写作的目的,就是希望解释清楚时空穿越的理论基础。这篇文章从提出问题,到超越光速,再到时空的本质,一环扣一环,体现了很强的逻辑性。在作品内容方面,不仅有大量关于时间、光速、引力的科学史素材,更是引入中国古代文学和现代动画片中关于时空的描写,体现了科学性和文学性统一。尤其值得赞赏的是,文中多条注释,进一步提供了关于时间旅行有价值的补充资料,在不影响整体行文流畅,避免拖沓冗余的前提下,降低了读者的阅读障碍。需要改进的是一点,本文的图片设计质量还需进一步提高。

有句俗话:只要我跑得足够快,我的忧伤就追不上我。这句话不仅是一句鸡汤而已,而是有着深刻的道理和科学依据。只要你能够回到忧伤发生的时间节点之前阻止让你难过的事情发生,你就永远也不会感到忧伤。而要回到过去,我们想出了一个绝妙的方法,就是超过光速。

这也是人类继“朴素的唯心主义时间旅行”之后想出的第二种时间旅行方式。

17世纪以前,人们一直认为光速是无限的,甚至有很多人并未想过光还有速度这件事情。

伽利略也许是第一个尝试测量光速的人。他和他的助手站在两个山顶上,每个人拿一盏灯。伽利略先打开灯,当助手看到灯光时,立即打开手里的灯,伽利略再次看到灯光时停止计时。这次尝试毫无疑问的失败了,我想读者们应该都明白为什么。伽利略根本无法想象光速是那样一个庞大的数字,因此,在这段距离中,光的传播时间甚至比两个人的反应时间还要短,他自然就不可能得到一个正确的结果。

但人们并没有放弃尝试测量光速。随着技术手段的进步,测量工具的发展和测量方法的突破,人们在一步一步接近真理。1849年,法国物理学家A.H.L.菲佐用旋转齿轮法测得的光速为c=315000千米/秒。1862年,法国实验物理学家J.-B.-L.傅科测得更精确的数据应为c=(298000±500)千米/秒。

光速的测量是一项永远无法结束的工作,物理学家们只能一点一点的接近真理。在科学家们争相发布出光速的更准确结果的同时,又一个问题突然打破了平静。

1865年,麦克斯韦成功的将电和磁的部分理论统一到了一个体系之下,也就是我们所熟知的麦克斯韦方程。麦克斯韦的理论预言,光速是固定的一个数值。学过中学物理的同学们应该都知道,牛顿告诉我们,运动和静止都是相对的,任何物体的速度都必定是相对于某一参考系来说的。如果说光速是固定不变的,那在宇宙中势必存在一个固定的参考系。可是,这参考系又是什么呢?为了让整个理论自洽,科学家们认为在空间中充满了一种叫做“以太”的物质,光的速度就是以以太为参考系来测量的。这种说法受到了很多科学家的支持。但是以太这种物质无色无味,也从未以任何方式被人所感知到,听起来就很像是该被奥卡姆剃刀(注1)削掉的东西。因此也有不少科学家对以太的存在表示怀疑。

我们来一起思考这样一个问题:如果光速是以以太为参考系运动,那么,相对于以太保持不同运动状态的人应该对同一束光测出不同的相对速度,对吧。基于这个问题,有两位物理学家阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷设计了一个实验来验证。如果上面的以太理论成立,当地球绕太阳公转时,沿地球公转方向的光速和垂直于地球公转方向的光速应当是不同的。打个不太恰当的比方:你在马路上跑步,有一辆车迎面撞向你,有一辆车以同样的速度从侧面撞向你,你肯定会觉得迎面而来的车比较快吧。

可是当两人做完这个实验,却发现无论怎么测,光速都是相同的!这就好像是有一条光速狗在追你,于是你拼命向前跑,却发现狗还是用和你静止不动时完全相同的时间追上你咬了你一口,那你还有什么必要跑呢。

在之后的十几年中,物理学家们尝试了很多种解释,但是都不够简洁,缺少美感。直到1905年爱因斯坦从另一个角度解释这个问题,才终于结束了这场关于光速的理论战争。

可绝对时空不存在,和光速又有什么关系吗?当然是有的,不然我干嘛说啊。

首先,我希望你能明白爱因斯坦理论中的一个原则:光速不变。虽然我之前已经提到过了,但我还是要再说一次,因为这是我们这一章最重要的一条原则。想象一下,你拿着一只手电筒,以5m/s的速度向前行走,而光速是299792458m/s,你觉得这个时候手电筒光的速度应该是299792463m/s,但实际上,还是299792458m/s。这也就是说,光速不会因为任何物体的相对运动而改变。这时,另一个问题出现了:速度的定义是物体在单位时间内于空间中的位移,如果光速要保持不变,那么只能是时间和空间出了变化。

在宏观低速的情况下,运动和不运动的你除了喘气和流汗之外,不会有什么大的变化。但假设你是以接近光速的速度在运动呢?

如果我的视力是鹰眼的几万亿倍,而且居然不会受到你达到光速所带来的一切影响,我就会发现一个奇异的现象:你会变得很扁,就像是《猫和老鼠》里经常被压扁的汤姆一样。同时你的手表指针会转得极慢,我甚至会觉得你的手表根本就没有在走时间,而你自己却不会觉得有任何问题。这就是著名的“尺缩效应 ”和“钟慢效应”。当然,物理学家们不会这样解释这个现象,他们会给你几个公式,但我想你大概也不会喜欢这些,就不把公式列出来给你看了。

或许你还是不能理解这个现象,没关系,我们换一个角度讲给你。

首先,为了方便理解,我们先把三维空间简化成一维,然后把时间添加为另外一维。

就像这样。

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时空坐标系

这张图是什么意思呢,我来简单解释一下。这是一张时空坐标系的图,坐标轴的横轴是将三维的空间压缩为一维,因为这张图中并不讨论物体在空间中的位置,所以这样做也不会有什么影响。而纵轴代表的是时间。在空间坐标系中,我们可能有不同的速度,但在时空坐标系中,我们每个人,每个生物甚至说每个基本粒子的速度都是光速。如果我在空间轴上的速度为零,也就是说坐着不动什么的,那么我在时间轴上的速度就是光速。我想你现在大概就是在某处坐着读这篇教程吧,仔细感受一下,在时间轴上以光速运行就是这种感觉。当你在空间中的速度逐渐提高,比如说你尿急走去上厕所,然后忍不住了开始跑,相应的,你在时间中的速度就会降低。说简单一点,就是你的时间流逝会变慢。当你的空间速度再次提高,甚至一步步接近光速的时候,你的时间流逝会越来越慢,直至最后,空间速度达到光速,时间速度降至零。时间在你身上停止了。

我相信大部分人都会注意到这样一件事:那如果我跑得比光还快,我岂不是就能回到过去了吗?(终于到正题了,开心不!)

看起来好像很有道理,但高中数学学过的知识不能忘记:归纳法是不一定正确的。刚巧,这一次它不正确了。

作为一本有良心有节操的指南,不能只告诉读者路在哪,还要贴心的告诉读者;路上有什么坑。

首先,要通过超光速进行时间旅行的难度在于,你跑不了那么快。你可能觉得我说的是废话,跑不了那么快骑自行车呗。我不是这个意思,我是说,无论如何,你都没办法超过光速,甚至连达到光速都不太可能。

别不信,我们来看看至今人类能达到的速度。

到现在为止,地球上速度最快的人造飞行器是Helios 2探测器,它环日的平均速度达到了惊人的70000m/s,这已经是人类所达到的极限了,但是如果和光速比起来呢?嗯……仅仅是光速的0.023%。而你的目的是超过光速,也就是说要把现在的最高速度提高四千多倍!或许你最近在看一些关于宇宙尺度或者微生物数量方面的文章,读到了不少巨大的数字,觉得四千倍只是小意思,可能过个几十年就能做到。那么我们来再看一张图。

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速度与质量

无论技术如何变化,物理定律是一定的。

这张图比起上一张要难懂一些,我来简单解释一下。横轴代表速度,纵轴是一个与质量正相关的因子。当速度逐渐提高时,根据狭义相对论,它的质量(在图中标示为γ因子,意思差不多)上涨速率越来越快,当速度趋近于光速时,质量几乎是无限大的!在这里有必要说明一下的是,这里所说的速度啊质量啊都是对观察者而言的(毕竟利用的是相对论嘛),物体本身并不会“感觉”到自己有任何变化,瘦子也并不会变成大胖子。而根据我们日常的经验,一个物体的质量越大,它就越难以被推动,如果一个物体的质量接近无限大,那么就需要接近无限大的能量来驱动它,毫无疑问,这是不可能的。而且我想有很多读者注意到了,这张图里并未将物体的原本质量包含在内,也就是说,物体本身质量的大小根本不会影响结果,即使一个质量小到可以忽略不计的电子(注2),要加速到光速也需要无限大的能量。这是几乎不可能做到的事情。而想要超越光速?甚至比我减肥还要难。

那光为什么能达到光速呢?好问题,不愧是我自己问的。事实上,光子是没有静止质量的,假设光子静止不动,那么它的质量就是零,根据小学学到的乘法,零乘以任何数都为零,它的质量变化不会和图中一样指数级增大,因此它就可以达到光速了。但一定要记住,光子的质量并不是零,它在运动时具有有限的动质量,根据最新的研究表明(截止2017年底),光子的总质量不会大于10-54kg。既然说到这了,我顺便提一句,相对论并不禁止超光速的存在,而是禁止有质量的物体超越光速。光速就想是一道围城,低于光速的别想高于光速,而高于光速的也别想慢下来。由此,科学家们还假设了一类叫快子的粒子,这类粒子的速度均大于光速,而且不可能降到光速之下。

也许你甚至不愿意看上面这一段麻烦又不知所谓的内容,那我再换一个角度给你解释一下为什么不行。

根据相对论,物体的速度越接近光速,它的时间就越慢;根据相对论,光速是不可被(任何有质量的物质)超越的(因此波的相速度(注3)可以超越光速就可以理解了,毕竟其不带有任何信息,因此并不违背相对论)。这其中的问题就在于,你希望通过超越光速来使时光倒流,但是如果你真的超越了光速,则证明了相对论是错误的,那么第一条就是错误的,那么你就无法使用这一条理论来回到过去。

说到这里,不得不提到一部伟大的科幻作品——《三体》。在《三体》的结尾部分,人类成功制造出了曲率引擎飞船,飞船能以无限接近光速的速度前进,程心和艾AA得以成功的躲过二向箔的打击。

曲率引擎这个概念并不是大刘凭空捏造出来的,虽然是科幻故事中的设想,但它有比较扎实的科学依据。刘慈欣在《三体》中是这样解释的:一艘处于太空中的飞船,如果能够用某种方式把它后面的一部分空间熨平,减小其曲率,那么飞船就会被前方曲率更大的空间拉过去,这就是曲率驱动。曲率驱动不可能像空间折叠那样瞬间到达目的地,但却有可能使飞船以无限接近光速的速度航行。

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地球引力

我借用这一张并不严谨的解释引力的图示来解释一下。

假设时空是一张二维的膜,有质量的物体会使时空的曲率变大,引力也来自于此。有点类似于地球在这张膜上使膜下陷,然后月球就会绕着地球公转,因为在弯曲的时空之中,月球所走的这一条轨道才是最近的“直线”。但事实上,空间本身就不是平滑的,而是拥有一定的曲率。大刘所描述的曲率引擎即是利用了此原理,把飞船身后的时空“熨平”,飞船前面的时空曲率较大,因此飞船就会被引力“拉着”向前运动。

这种方法倒是真的有可能把飞船加速到接近光速啦,但是要超越光速,这种引擎还不够强大。

但并不是没有人想到更好的办法。刘慈欣在书中所描述的曲率引擎并不是他所独创的,早在1994年,物理学家Miguel Alcubierre(我查了很多资料,对这位物理学家名字有很多种翻译,我就选择其中我最喜欢的一种好了:米格尔·阿库比瑞)就曾做出一个理论解,如果能依照该理论解制造出阿库比瑞引擎,就可能达到超光速的效果。

等等,我刚刚是不是说过相对论禁止超光速来着?这个阿库比瑞引擎岂不是违背了相对论?

当然不可能啦!我是作者啊,我怎么可能写出前后矛盾的东西来。

阿库比瑞引擎通过波动方式展延空间,使飞船后部空间扩张而前部空间收缩,导致飞船所在范围内由一段平直时空构成“曲率泡”,曲率泡带着飞船前行。由于运动的定义是:一个物体相对于另一个物体的位置,或者一个物体的某些部分相对于其他部分的位置随着时间而变化,空间本身的位置变化并不被定义为运动。搭载阿库比瑞引擎的飞船在曲率泡之中并未移动,所以并不会违反广义相对论的任何原则,也就存在超光速飞行的可能。

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阿库比瑞引擎

但是1994年到2017年(说清楚一点,也许十年后还有人能看到这本指南呢),已经过去了23年了,还是没有任何一个时间旅行者成功制作出这样一台引擎来,你就明白事情不是这么简单了。

虽然阿库比瑞引擎在数学上是可行的,但要制作这种引擎,事实上还有很多路要走,而且还不知道是不是死路一条。这个计算结果很可能并不具有物理上的意义。

首先,要制作和使用这种引擎,我们需要一种性质正确的奇异物质(注4),但如果我们所需的这种奇异物质在本宇宙之中并不存在的话,那么GG,阿库比瑞引擎并不能被制造出来。其次,这种引擎的计算过程中包含量子力学理论,但广义相对论并不包含量子力学,所以这个引擎是否真的能实现时间旅行,还是个未知数。

这一章的内容已经差不多完了,细心的读者可能已经发现了,读完这一章,你还是不能进行时间旅行,这就对了,要不为什么叫基础指南呢。进阶指南部分要你自己摸索的嘛,师傅领进门,穿越靠个人嘛。加油哦!如果你觉得这个方法太难了,你可能这辈子也做不到,别急着放弃,我们来看看下一种,或许你会喜欢。


注1:奥卡姆剃刀原则是14世纪逻辑学家奥卡姆的威廉(是的,这个人就叫奥卡姆的威廉)提出的一种思维原则,其内容可以简单概括为“如非必要,勿增实体”。这把剃刀在判断两种理论哪种更贴近真相时十分好用。举一个经典的例子:现在有两种说法,1.我家车库里有一条火龙,但你看不到它,听不到它,触碰不到它,也无法用任何方式来探知到它的存在2.我家车库里没有龙。你会相信哪一种呢?我相信大部分人都会相信第二种说法,然后小部分人会相信我家根本就没有车库……你们都对了。事实上你在判断这个问题时,就无意中使用了奥卡姆剃刀,如果我家车库(先假设我家有车库嘛)里有一条无论如何都不能被感受到的火龙,那就是没有。

注2:电子是一种轻子,顾名思义,电子的质量非常小,仅有9.10 × 10-31 kg。作为比较,一个质子的质量为1.6726231 × 10-27 kg,大约是电子质量的1836.5倍。

注3:波的相速度是指波的相位在空间中传递的速度,与之相对的是波的群速度。简单来说,我想很多人可能观察过马陆(就是那种有无数条腿的类似蜈蚣的虫子)爬行,就是从最后一对足开始,呈波浪形向前运动,总是某几对足摆动而其他步足不动,直到最前面的一对足落地,才完成一次完整的运动。马陆腿的摆动速度就像是波的相速度,而马陆整体的运动速度就像是波的群速度。或者再换一种说法,用电钻在墙上打孔的时候,电钻上的螺纹会比钻头实际前进的速度快很多。电钻螺纹的旋转速度就类似于波的相速度,而电钻整体的前进速度就相当于波的群速度。

 注4:奇异物质就是,emmmmmm,一种很奇怪的物质。它有很多性质和我们所熟悉的物质迥然不同,其中最重要的一点是它的质量是负的吧,其他的性质和我们时间旅行关系不大,就不说了。

-完-
我要评论
劦石 2018-01-21 06:31
这是一篇以大量科学理论为基础的科普探索,态度严谨,语言平实,用严谨与平实搭建科普科幻之路,使苦涩的物理理论变得通俗易懂,让读者再次遐想苹果落地是如此轻松的触发了万有引力定律、两个铜球同时落地简答地证伪了重的东西比轻的东西落地速度快,让科学放下了身段走向读者。
2018-01-05 10:59
语言诙谐幽默,但至于是不是用一些与情节无关的话来可以打趣引入主题……就需要再做考究了。时间旅行是个非常好的点,求问作者如何想到以此做科普切入点的呢?篇章结构上感觉每个章节内部以时间顺序,但不很清楚每个章节之间联系,如何策划的?
崔罗石 回复 感谢评论。 关于用无关话题引入文章,我是觉得直接开始有点生硬,所以想引起一下读者的兴趣吧,可能有些欠考虑。 写这篇文章的初衷呢,是几年前读过阿西莫夫的《永恒的终结》,然后就萌生了总结一下从古至今人类对时间这一概念的认识和研究,以及时间旅行构想的发展。没想到现在才动笔写。 每个章节之间的联系不是很紧密,因为所谓“指南”嘛,就是想介绍一下各种时间旅行的不同“方法”。但也是按照较弱的时间顺序来写的。首先是想象,然后是相对论和超光速,接下来是黑洞与虫洞这样。
2018-01-05 13:42 回复
科普作品
时间旅行基础指南
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评委点评 评语汇总

首先题目就很吸引人,大概多数人也会很想看到最后了解到底如何时间旅行。其次,作者大体通过时间旅行这个线索介绍了不少相关物理学的理论,但并不会给人感觉太晦涩。比较喜欢作者在结尾的总结:“真正的时间旅行能否真正实现,我不得而知,但是我相信会有无数人会前赴后继的去尝试证明它可行或不可行。人类的过去只有大概二十万年,但未来还有很久,我们有足够久的时间去了解时间。”,从某种意义上也是一种科学探索精神的升华。

2018-01-10 13:52 匿名 ——

这是一篇做了充分准备的作品,否则不敢啃时间旅行这样的硬骨头。但也因为这个话题过于尖端和带有太多的不确定性,所以被挑刺乃至被批的体无完肤的可能性是完全存在的,但这不妨碍很多读者对这部作品的喜爱,尽管还有不少有待完善之处。关于这部作品带有调侃的表达风格,个人意见认为见仁见智,但不要为求时尚故意调侃就可。

2018-01-23 14:19 匿名 ——

说实话,“时间旅行”这样一个在学术界争议不断的,没有一个准确结论的话题并不适合做严肃科普,只适合做科学杂谈。而且稍有不慎就容易写成民科猎奇文。不过作者这边文章自我把控能力还好,在文中对于黑洞白洞还有时间空间定义的一些科普内容尚可。

2018-01-24 18:29 匿名 ——

作者非常努力地把前沿科学知识通过比喻、使用诙谐语言等多种方法介绍给读者,很值得肯定。但这篇文章的逻辑性、条理性还不是很强,主线也不明晰,结论也不明确,从总体上看,可读性还需进一步提高。

2018-02-02 15:52 匿名 ——

时空穿越是很多科幻小说的情节以展开的关键,也是很多科幻迷和青少年津津乐道的概念。但在科学研究中,时间旅行还仅仅停留在理论阶段,并没有具体实验的支撑。《时间旅行基础指南》写作的目的,就是希望解释清楚时空穿越的理论基础。这篇文章从提出问题,到超越光速,再到时空的本质,一环扣一环,体现了很强的逻辑性。在作品内容方面,不仅有大量关于时间、光速、引力的科学史素材,更是引入中国古代文学和现代动画片中关于时空的描写,体现了科学性和文学性统一。尤其值得赞赏的是,文中多条注释,进一步提供了关于时间旅行有价值的补充资料,在不影响整体行文流畅,避免拖沓冗余的前提下,降低了读者的阅读障碍。需要改进的是一点,本文的图片设计质量还需进一步提高。

2018-02-08 23:28 匿名 ——

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