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《时间旅行基础指南》
新航路的开辟
崔罗石    来源社团:中国海洋大学海洋生命...
得票 163 阅读 1833 评论 2
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。

在下面这部分指南里,最重要的道具的名字你会经常听到。

如果你是一个早起的人的话,那么你大概率会见到这样一种情况。

每天清晨,天刚蒙蒙亮的时候,会有无数老头老太太在街道上出现,他们手提布袋,行动迅速,整齐划一,目的明确。他们一般会打着去买菜的幌子,成群结队走到菜市场,假装对蔬菜挑挑拣拣,然后趁人不备的时候,拿起一把青菜,和伪装成卖菜小贩的人对出暗号:老板,你这个菜叶上有……

虫洞。

玩笑归玩笑,但显而易见,上面那个故事中的虫洞并不是我们需要的。

我们所需要的虫洞,学名叫做爱因斯坦-罗森桥,顾名思义,是爱因斯坦和罗森爱情(好吧好吧,智慧)的结晶。它是宇宙中连接两个不同时空节点的捷径。

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真正的虫洞

假设有一种生活在苹果表面的虫子,原来它要到苹果的背面去,就只能绕一圈过去。这只虫子有一天突然发现自己脚下的地面是可以咬的,而且还挺好吃,于是它就啃呀啃呀,直到下一次它看到地面时,发现自己居然到了苹果的背面,而且比平时绕一圈花的时间少得多。于是后来这个苹果上就出现了一个一个的虫洞。

如果把这个苹果表面看做我们的宇宙时空,也有一种虫子,可以在时空的两个点之间啃出洞来,就能在时空中原本相距很远的两个点之间快速穿行。这就是虫洞的简单解释。

1916年,奥地利物理学家路德维希·弗莱姆第一次提出了虫洞的概念。1935年,爱因斯坦和罗森改进并完善了这个概念。但就像爱因斯坦并不相信黑洞的存在一样,他也并不相信虫洞的存在,只是把它当做一种数学伎俩。爱因斯坦的影响力之大,导致之后的几十年之中,绝大部分科学家也抱有和爱因斯坦相同的态度。

即使爱因斯坦坚信虫洞不过是一种数学伎俩,还是有越来越多的计算证明了虫洞存在的可能性。因此到现在为止,虽然并没有一个对于虫洞的实际观察结果,大多数物理学家也愿意相信虫洞并不只是一个数学上的想象,而是真实存在的一种神秘天体。

也有一小部分物理学家(或者其实是时间旅行者也说不定),自从史瓦西几何中解出了虫洞这个解,就一直在关注并研究虫洞,所以关于虫洞的研究才能慢慢的兴盛起来。在这些人的研究之中,我们发现了一些对于时间旅行者来说颇为有用的信息。

虫洞连接两个不同时空(注1)节点,其本身就像是一条捷径,为时间旅行者们准备的捷径。

在上一章关于黑洞的内容之中,我想有很多读者会有这样的疑问,黑洞无休止的“吞噬”物质,被吞噬的物质都去了哪里?物理学家们也在思考这个问题,黑洞不可能无休止的吞噬物质,就像星新一的小说《喂——出来》中的那个洞不可能无休无止的承载废物一样。为了回答这个问题,物理学家们假设(注2)了一种新的,被称为白洞(注3)的天体,它和黑洞的性质完全相反,它不吸收物质,而是一直在喷射物质。黑洞所吞噬的所有物质都会交由白洞还给宇宙本身。而连接黑洞和白洞的通道就是某种虫洞,偶尔也会被叫做灰道。

我们是否能通过这种虫洞来进行时间旅行呢?从某一时空节点的黑洞进入,然后从另一时空节点的白洞走出。看起来似乎是个不错的计划。但我相信,读过上一章的朋友会很确信答案是不能。我就不再重复上一章的内容了,高能粒子啦、潮汐力啦,假设你都能解决,但是当你撞上黑洞的奇点时你就化为了一些现在没人知道是什么的比基本粒子还要小的物质“碎屑”,虽然你最终会被白洞喷射回本宇宙,但你总不能指望构成你和你的飞船的那些物质自己拼接成原来的样子吧。所以通过这种虫洞,你确实能到达另一个时空节点,但可惜的是你没命活到那个时候。

何况还有另一个问题,通过这种方式,你肯定没法选择出口的位置(包括时间坐标哦),所以这只是一次早已预知了死亡的随缘旅行。很明显,这违背了我们时间旅行者的最初意愿。

我们再来考虑另一种方式。在上一章的内容之中,我描述了一种以奇点为核心的黑洞。为了简化算法,史瓦西在计算时忽略了天体的一些不太相关的性质,因此他所计算出的这种黑洞是不旋转并且不带电的,被称为史瓦西黑洞。除此之外还会有带电但不旋转、不带电但旋转、带电而且旋转的黑洞存在。

这些黑洞之中,最令我们感兴趣的就是不带电但旋转的克尔黑洞。这种黑洞在1962年由罗伊·克尔从爱因斯坦方程之中解出(注4)。虽然黑洞本应当是上一章的内容,但利用克尔黑洞旅行更像是一种虫洞式的旅行,所以放到这一章来讲。

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克尔黑洞

就像上面那张图所展示的那样,克尔黑洞和史瓦西黑洞最大的区别就是,克尔黑洞的中央是一个奇环而非奇点。而且克尔黑洞同样也可以和白洞连接,从而形成一个形似空竹的虫洞。理论上来讲,这种虫洞是允许通过的,只要你不驾驶飞船像喝多了酒一样摇摇晃晃一头撞上克尔黑洞中心的奇环,理论上你就可以穿越时空,到达另一个不同的时间节点。但是就像菩萨告诉三藏法师走完西行路便能得真经一样“虚假”,路上的艰难险阻也不是容易解决的。

克尔黑洞虽然名字和史瓦西黑洞不一样,但怎么说也是一个黑洞,生抽老抽不也都是酱油嘛。因此克尔黑洞拥有史瓦西和黑洞所拥有的一切杀人利器,除了无解的奇点。虽然克尔黑洞中的潮汐力没有史瓦西黑洞那么汹涌,但也不是地球上的浪花那个量级的,要防止潮汐力把你撕成碎片仍然是一件令人头疼的事情。

除此之外,克尔黑洞的奇环并不是一个稳定的隧道口,物质要经过奇环进入白洞很有可能会影响到奇环的稳定性,致使奇环闭合。因此,要维持克尔黑洞中心奇环的稳定,我们也需要交大量的“养路费”——奇异物质。又提到它了,有种科学家每次没办法解决问题的时候就捞出奇异物质救场的感觉。总之,要维持奇环的稳定,你需要大量的携带负能量的“奇异物质”作为养路费,但就像我之前说过的那样,“奇异物质”之所以叫这个名字,就是因为科学家还没完全搞明白这到底是个什么玩意,所以我们肯定是没办法得到大量的“奇异物质”来稳定奇环。大概只有比我们发达许多倍的高级文明能够如此奢侈。想想看,要稳定奇环,我们至少需要一颗行星那么多的的奇异物质作为支撑,这种大手笔,自然不是我们人类目前甚至是很多年内能做到的。

那还有其他的虫洞吗?是有的,可是也不太好走。

如果我们把视线缩小到量子层面,就有可能会发现在宇宙中不时出现并湮灭的微型虫洞。这种虫洞唯一的优势就在于多,不用费尽心思去寻找,相对于大小适合通行的巨型黑洞来说,也算得上是一抓一大把了。但这种虫洞小得可怜,又非常不稳定,连基本粒子都来不及通过。就算你能用奇异物质稳定住它,你也没办法过去不是。

恭喜我们,又排除了一种不太可能实现的时间旅行方法!

题外话:近年来,有很多科幻作品中使用了虫洞这一概念,但多少有些错误(当然,毕竟是科幻作品,本身无需过多强求其科学性)。我个人认为克里斯托弗·诺兰的《星际穿越》中所展示的虫洞概念和图景相对来说最真实,这也和诺兰请来基普·索恩作为电影的科学指导有很大关系。索恩本身就是黑洞方面的专家,在20世纪八十年代,他就为卡尔萨根的小说提出过关于通过虫洞进行时间旅行方面的建议,所以在这方面他也可以称得上是顶级的专家。另外他的科普作品《黑洞与时间弯曲》在我写这两章关于黑洞与虫洞的指南时给了我很大的帮助,如果有读者更喜欢知识比较密集而且在这方面探索较深的科普,我推荐你们去看这本书。


注1:在这篇指南之中,你肯定见过很多次时空这个词了。但是我想你可能还没有对它有很深的理解。时空,不是时间和空间,即使在英文中也写作spacetime,中间没有空格,这就代表着,时空是一个整体,密不可分。对于某一物体,我们在描述出它的空间坐标的同时,也必须要加上其时间坐标,这样才能精确描述这个物体的存在。所谓人不能两次踏进同一条河流,即使你落脚点的空间坐标没有变化,时间坐标也和上一次不同了。在时间旅行中,时间也是描述“位置”的一个重要参量。

注2:对于科学家们,尤其是物理学家们来说,假设是一种非常严肃的事情。不像我们平常说话时做的假设,科学家们不可能随便假设出一种新的事物。如果科学家要假设一条喷火龙,那这条龙就必须和现有的已被承认的理论不冲突。为什么能喷火?平时吃什么?等等等等,都必须有据可依。即使这条火龙最后和所有的理论都契合了,还是要用奥卡姆剃刀去砍一刀试试这个假设是不是必要的。而且,这个假设一定是要去解释某个悬而未决的问题的,一个假设如果毫无作用,那就失去了存在的必要。

注3:和现在大热的黑洞不同,关于白洞的研究要少许多,也许是因为黑洞还没怎么研究清楚,也许是因为我们还没能发现任何一个白洞。总之,相对于黑洞来说,我们对白洞的存在知之甚少。白洞是黑洞的反演,黑洞吞噬物质而白洞喷射物质,但这并不是说白洞用有一种“反引力”,会将靠近它的物体推开。白洞也是一个强的引力源,会将靠近它的物质吸引但停留在其封闭的边界上(这一点类似于黑洞的视界)。白洞至今为止仍是一种猜测。

注4:在本指南或者其他很多物理学科普中,你会发现很多时候,对于某个现象,我们经常用算出或者解出这样的词汇而非观察到。由于我们对宇宙仍然知之甚少,无论是宏观的还是微观尺度,都有很多现象我们至今为止无法用任何手段观察到,但数学计算却可以让我们得出基本正确的答案。现代物理学中,理论物理在绝大部分领域是走在实验物理之前的,因此就会产生很多已经计算得出答案但有待实验证明的理论,这可能会花费很多时间。例如前不久引力波的发现,已经是其理论提出一百年之后了。

-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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