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《时间旅行基础指南》
危险与可能性的权衡
崔罗石    来源社团:中国海洋大学海洋生命...
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先看评语
· 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。

在之前的文章之中,我有提到过有质量的物体会使时空的曲率变大,还记得吗?那个时候我们只用到了有关空间的部分,但既然时间也被影响了,结果会是什么呢?

在《列子·汤问》中记载了一个大家耳熟能详的寓言故事——《愚公移山》。故事中愚公的家被两座大山挡住,一家人出门回家要走很长的路,非常苦恼。于是愚公打算把山铲平,这样要走的路就短多了。我想这之中的道理大家都懂的,两点之间直线段最短(注1)。这一点不只是在空间上管用,时间也是。

具有质量的物体使时空的曲率变大,时间的扭曲程度也就变大了,要通过同样长的距离,时间要走的“路程”也就变长了,对于人类的感受来说,就是时间变久了。

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时间弯曲

虽然这张图很丑,但是是我自己画的,我喜欢,而且它也足够解释清楚问题了。假设上面那条直线代表你正常经历的时间,下面那条直线中弯曲的一段代表将某某大质量物体放在你旁边后(比如说你同桌是一个巨胖的胖子)你的时间。你能清楚地发现,在两条竖线之间,也就是你身边坐了一个胖子的时候,你的时间被弯曲了,要经过同样的时间“宽度”,时间要走比以前更长的路。现在可能会有人窃喜:我同桌就是个胖子,我能长寿了!但事实上并不是如此。假设世界上真的有神(科普里面假设有神?有点意思),神给你安排的寿命是八十岁,如果你身边胖子多,你就能活八十一岁吗?不可能,无论你在任何大质量物体周围,你也都只能活八十岁。你时间的弯曲是相对于其他人而言的,对于其他人来说,你的时间变慢了,你可能能活几十年几百年甚至更多,可是对于你自己来说,你依然只活了八十岁。

别失望,虽然通过和胖子交朋友延长寿命的愿望破灭了,但是对于我们时间旅行者来说,似乎发现了一个旅行到未来的方法呢。

质量越大的物体,对于时空扭曲的程度就越高(注2),临近物体的时间就“走得越慢”。如果我们能够找到一个质量极大的物体,使靠近它的物体时间完全“静止”,外界经过了一段时间之后他再出来,不就相当于向未来时间旅行了吗?

那……那这种大质量物质,能找到得吗?能,而且还不算太稀有。

黑洞。

提到黑洞,可能很多人的第一个想到的是某个戴着眼镜,略有点可爱肥胖的睿智的老人——霍金。

事实上,黑洞这一概念是很早之前的产物(虽然最开始并不叫这个名字)。1783年,英国的自然哲学家米切尔(事实上就是科学家,但是当时并没有这个称谓,而且你不觉得自然哲学家很酷吗)根据牛顿的引力定律做出了这样一个推论:对于某个星体来说,它的逃逸速度是光速,因此这个星体所发射的光微粒也会被它拉回其表面,因此,外界无法通过直接观察来发现这个星体的存在,米切尔给这类星体起名为暗星。米切尔的这一推论在当时也产生了不小的影响,有很多自然哲学家在他们的著作中也会提到米切尔的暗星推论。但彼时人们对于光的本质仍未有一个全面的认识,光的微粒说和波动说在对抗中各有胜负。在米切尔时代,光的粒子说占据高位,暗星理论自然深受喜爱。几十年之后,光的波动说重新占领了真理高地,暗星推论也因此不再被提起了。

直到1915年爱因斯坦建立了广义相对论的引力定律,物理学家们才重新开始重视天体对光的引力作用。其中,有一位叫做史瓦西的天文学家做出了重大的贡献。当他第一次看到爱因斯坦的广义相对论之后,就被其深深地吸引了,于是他立即开始下笔写一封关于弯曲几何的“情书”。几个月后,他将自己的情书寄给爱因斯坦,后来,他的这封情书被人们称为——史瓦西几何。

史瓦西几何告诉我们,每个天体都存在一个和其质量有关的临界周长,当天体的实际周长无限逼近甚至等于其临界周长时,它的引力就足以将它发射出的光子拉回其表面,同时,它对于时空曲率的影响作用之大,能将它表面上的时间停止下来。这是黑洞理论的第二次出现。

然而,虽然20世纪的科学家们非常喜欢史瓦西几何,它确实能解决不少时空弯曲方面的问题,但几乎所有人都对它在极端情况下的推论(也就是说黑洞,或者你愿意,叫史瓦西奇点也行)嗤之以鼻。物理理论的进步使物理学家们得以摆脱关于光本质的争论重新提出黑洞理论(虽然是以一个不同的角度),但也同时使物理学家们开始抵触黑洞的存在。甚至连爱因斯坦也不太相信黑洞是真实存在的,即使他非常喜欢史瓦西几何。大多数物理学家都对黑洞有一种像是本能的“厌恶”,因为黑洞实在是太极端了,它的密度达到了一种难以想象的地步,似乎和空旷的宇宙的其他部分格格不入。

于是中间经历了漫长的争论、计算和探讨,黑洞理论的拥护者和反对者针锋相对,不断提出关于黑洞的新的猜想和计算,黑洞理论的战场硝烟弥漫,虽然不如光的本质争论那样宏大而残酷,但也同样扣人心弦。但这部分和我们时间旅行者关系不大,仔细讲的话需要很多篇幅,又没什么意思,所以我们略过这一部分。

总之,结果就是,科学界承认黑洞的存在了。

在米切尔暗星时代,人们所理解的暗星和其他天体并没有什么本质上的不同:一种质量巨大的球形星体,样子大约也就是地球或是太阳的翻版。

但事实上,黑洞之所以被称为黑洞而不是暗星,就是因为它和我们传统认知中的星体大不相同。

和其他星体不同,黑洞不是从无到有创生的。恒星并不能一直生存,和生物一样,恒星也有一定的寿命。

质量较小的恒星(说具体一点的话就是小于等于太阳质量1.4倍的恒星)在其生命的最后阶段,它自身的“燃料”已经不够用了,于是氢核聚变结束,而开始在核心进行更“重”的氦核聚变,恒星也逐渐开始膨胀为一颗红巨星。它的外部会迅速膨胀,而内部的核却会急剧缩小,直到内部密度达到大约每立方厘米十吨。又经过一段动荡的年代,红巨星内部矛盾达到顶峰,开始爆发革命。核心之外的所有外部物质都会被喷射出去,向外扩散形成一片星云,而核心就形成了白矮星。白矮星的密度非常大,但对于我们来说,还不够,我们需要质量更大的恒星死亡。

理论上来讲,当一个恒星的质量大于两个太阳时,它就具备了成为一个黑洞的最基础条件。但事实上,绝大多数质量在20倍太阳质量以下的恒星在坍缩时会喷射出大部分质量,使其最终低于临界质量而无法形成黑洞。奇怪的是,绝大多数质量在20倍太阳质量以上的恒星并不会经历这样的过程,即使在成为黑洞之后也会是差不多的质量。

总之,一个质量合适的恒星进入老年时期,它的核心部分也会进入一种类似的过程:开始坍缩。由于它的质量较白矮星来说要大得多,自身引力也就大得多,所以它的理想已经不再只是成为一颗白矮星了。它的引力大到连电子简并力都无法阻止它,因此,构成这颗恒星的原子结构也就破碎了,电子被“压”到质子中,使原子核中所有的粒子都变成了中子,紧密排列在一起,此时恒星就变成了一颗中子星。有一部分恒星的变化就到此结束了,,但剩下的一部分还不满足,它们的引力足够大,以至于还会继续压缩自己,直至最后成为一个奇点。

遗憾的是,没有人能真正完整的观看这一部分过程。史瓦西几何不仅推测了黑洞的存在,它同时计算出了一个星体要成为黑洞的临界半径,称为史瓦西半径。当某质量的星体半径小于等于它的史瓦西半径时,它就会成为黑洞。顺便提一句,地球的史瓦西半径仅有大约八毫米。此时黑洞的形成过程仍在继续,星体依然在坍缩,可是你已经看不到了。小于临界半径的星体,其引力已经足以将它自身发射出来的光完全吸引回它的表面。所以如果一个人有幸看到合适质量的恒星坍缩,大概是这样的过程:一颗恒星突然爆发,发出剧烈的光芒并喷射出巨量的物质,然后其核心显露出来,逐渐变得暗淡,逐渐缩小,当缩小到某个大小时,就完全看不见了,之后的过程全凭你想象。这个你看不见的范围就是黑洞的视界。

但如果你偏要看到后面这段过程呢?也不是不行,你得进入视界之内。

你驾驶一艘科技树点满的宇宙飞船,进入了黑洞的视界,然后亲眼见证了黑洞变成质点的过程。然后你再飞出视界,却发现物是人非,早已是无数年之后了,但你感觉自己不过是在视界内待了一小会儿而已。你转念一想,唉呀妈呀,我这不是就完成了时间旅行了吗?看来黑洞果然是旅行到未来的实用工具啊!

如果你真的完成了上述操作,那么说明你可能是某部很差劲的科幻小说的主角。

诚然,黑洞能将视界内的时间“冻结”。一个物体在进入黑洞的视界内以后,对于外界来说,它就永远处于落向奇点的过程,几百年几千年几万年之后,它都还在落向奇点,如果它在这个时候逃出视界,就相当于是进行了一次通往未来的时间旅行。

可对于它自己来说,在黑洞的视界中,只经过了一瞬间它就已经被强大的引力拉着向前,湮灭于奇点了。

假如你真的驾驶一艘宇宙飞船飞入黑洞的视界,湮灭于黑洞是你唯一的归宿。因为你的速度绝不可能超过光速,你就绝不可能逃脱出黑洞的引力场。速度再快,也不过只能让你在视界内奇点外多留存一段时间而已。

不过事情也是有转机的,你也不一定会死于奇点哦!

 

别急着高兴,我不过是玩了个文字游戏而已。

你知道大海的潮汐是如何形成的吗?是因为月球距离地球上每一点的距离不同,对每一点引力大小也就不同。对大陆来说倒也没什么影响,可是对海水来说,撕扯作用就很强烈了,由此产生了一层一层的潮汐。这种力被称为潮汐力。但事实上潮汐力并不只代表月球对海水的吸引力,任何性质类似的力都被称为潮汐力。这也就是说,当你驾驶飞船进入视界之后,由于黑洞无比巨大的引力,你会受到巨大的潮汐力撕扯,在一瞬间就会被撕扯成碎片,所以其实你也不一定死于奇点,但最终的归宿是奇点倒是没什么变化。除此之外,黑洞中也存在非常危险的高能粒子辐射,飞船中的你就好像是微波炉里的爆米花豆一样,一瞬间就会炸成烟花。不过我想,要是连潮汐力的问题你都能解决的话,辐射的问题应该也算不上什么。

所以真实情况应该是这样的:你驾驶一艘科技树点满的宇宙飞船,横冲直撞进入黑洞的视界,抵御住了高能粒子的轰击,也解决了潮汐力的撕扯,在无比巨大的引力作用下垂死挣扎,最后还是无可奈何地落入奇点,在欢声笑语之中打出了GG。

利用黑洞进行时间旅行的尝试看来又失败了。但烦请各位时间旅行爱好者不要对本指南失去信心,我们是专业的!


注1:两点之间直线段最短,这一点无论是在平直的还是弯曲的空间中都是适用的,但如果空间是弯曲的,在这样的空间中的直线在外界平直时空来看却是弯曲的。假如你在一张平放的白纸上画一条直线,然后把纸弯折,就会觉得直线弯曲了,但在白纸平面空间上,直线还是直线。所以与其说是太阳的引力把地球吸引在轨道内,不如说是太阳的引力改变了时空曲率,欺骗了地球,导致它还以为自己在走直线。

注2:其实准确的说呢,应该说是密度对时空曲率的影响,密度越大影响越大。但因为在宇宙中的质量集中程度很小,绝大部分空间几乎是绝对的真空,空无一物,所以质量较集中的地方也就是密度较大的地方。因此在很多科普之中就直接用质量来代替密度了。本指南紧跟潮流,也用质量一词来代替密度。但还是要明确一下,不要以为黑洞就是宇宙中质量最大的天体,它们只是密度最大的。

-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
| 目录  (共7章)
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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