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《柔软的宇宙 第16章 星际穿越》


本资料所属分类: 科技 科普 更新时间:2017年8月14日 如不能下载,请查看怎样下载

  返回柔软的宇宙:相对论外传

     第16章 星际穿越


        但是就在霍金提出黑洞辐射的前后脚,另一个物理学家安鲁计算证明了安鲁效应。这个效应很奇怪,在一个匀加速的观察者看来,周围的真空会放热,真空居然有温度了!这是非常奇怪的一件事。而温度与观察者的加速度有关系,安鲁自己也不是很明白,这到底意味着什么呢?后来看到了霍金对于霍金辐射的证明过程,他恍然大悟,自己发现的这个效应和霍金辐射有异曲同工之妙。因为按照爱因斯坦的广义相对论,加速运动引起的惯性效应,跟空间弯曲引起的引力效应是不能分辨的,因此在霍金辐射是黑洞视界附近真空量子效应引起的热辐射。安鲁效应是加速引起的量子效应热辐射,在一个加速观察者后面,会有一个弧形的视界,与黑洞视界是类似的。在加速运动的观察者看来,真空不再是正反对称抵消的,会以热辐射的方式释放能量,这又是一个毁三观的发现。原来,你感觉周围的真空是没有温度的,但是从你身边加速通过的另外一个观察者可不这么认为,他会感到周围的真空是有温度的,真空的温度居然也与观察者状态有关系。

        黑洞蒸发的问题引起一群量子物理学家的不满,他们认为:一对纠缠的粒子,负粒子掉进了黑洞,正粒子辐射出去了,这时候温度会急剧升高,那么在黑洞视界的背面就会出现一道温度极高的火墙。真空里面瞬间产生的一对虚粒子是相互纠缠的,你以为拆开纠缠的粒子那么省事吗?要是把这些复杂的情况考虑进去,哪还有那么简单!为了信息守恒的问题,霍金还和索恩一起跟普雷斯基打赌,他跟索恩是一个战壕里的战友。

        霍金很爱打赌,他平生有三大爱好,第一个物理学,是职业,第二个是摇滚乐,算是业余爱好。毕竟英国是摇滚的重量级国度,霍金青少年时代,披头士正流行,喜欢摇滚这也难免,第三个爱好就是打赌。1975年,他跟索恩就打过赌,那时候刚好发现了天鹅座X1(图16-1),是一个非常强烈的辐射源,能够喷射出高能的X射线和伽马射线。这是一个双星系统,距离我们六千光年。一个天体疯狂地从隔壁邻居身上偷吃气体,因此会发出强烈的辐射。霍金就打赌:这个X1不是黑洞,索恩则认为是黑洞,假如霍金输了,霍金就给索恩买一年的《阁楼》杂志。霍金其实内心非常希望X1是个黑洞,那他为啥要打赌X1不是黑洞呢?他是这么盘算的:假如X1是黑洞,那么自己的理论就赢了,就算给索恩订一年的杂志也不算亏;要是自己打赌赢了,X1的确不是黑洞,那么能获得索恩给订一年的《私家侦探》杂志也不错。这是金融领域常用的一招,叫做“对冲”,可见他经济头脑也不差,估计改行当基金经理都没啥问题。所以我们会发现,霍金打赌往往是反的,他希望存在黑洞,那么他跟人打赌必定是赌黑洞不存在。这样他不论输赢,都不会吃多亏。


                                                    图16-1 天鹅座X1

        这个赌约一直到了1990年才有比较确定的证据:X1就是黑洞。于是霍金话付前言,趁着到南加州演讲的机会去找索恩认输。恰巧当时索恩人在莫斯科,没在美国,霍金大张旗鼓地闯入索恩的办公室,把当年的赌据翻出来按了手印表示认输,给索恩订阅了一年的《阁楼》杂志。第二次打赌是有关会不会存在裸奇点的问题,霍金说不会有裸奇点。后来人家证明黑洞蒸发的时候,有可能剩下一个裸奇点。霍金耍赖不干了,说这个裸奇点是量子力学的裸奇点,跟那个广义相对论的裸奇点不是一回事,闹了半天想赖账,后来赖账不成,老老实实认输了事,赌注是一百英镑外加一件衣服。霍金弄了件T恤衫送去,衣服上还写上了一句话——“大自然讨厌裸奇点”,他还是死犟嘴。

        第三次打赌就是有关黑洞里面的信息是不是会消失的问题了,这一次霍金和索恩是一伙的。大概霍金吃了索恩好几次亏,这回学乖了,不打算跟索恩作对,俩人跳到了一个战壕里,合伙对付普雷斯基。霍金在1974年证明了霍金辐射,黑洞发射出的光谱就是标准的黑体谱,不带任何信息,你只能知道温度,其他的你啥也不知道了。黑洞的蒸发是纯态变成了混合态,宇宙的熵增加,但是重子数守恒、轻子数守恒、信息守恒全部被破坏了。所以普雷斯基认为这不可能,黑洞里面的信息一定会以某种形式跑出来。这时候有两个人出来证明了信息真的守恒,他们就是派瑞克和威尔切克。派瑞克是威尔切克的学生,威尔切克还因为夸克粒子理论(强作用)方面所取得的成就研究获得了2004年的诺贝尔物理学奖。

        他们要在霍金的理论上挑出毛病来才能够推翻霍金的理论,然而霍金的黑洞辐射计算是非常严谨的,想要鸡蛋里挑骨头,难度很大。不过毛病还真给他们挑出来了。他们说:霍金你有个因素没想到,一个黑洞,跑出来一个光子,黑洞就减少了一丝的质量,半径那么一缩,导致黑体谱偏移了一丝,因此这个黑体谱就带上信息了,信息就跑出来了。大家都懵了,谁也没想到少掉一个光子也要计算进去,黑洞的质量太大了,即便是恒星级别的黑洞,质量起码也是太阳的好多倍。黑洞这么大的质量,跑出一个光子,你还好意思计账吗?大家都觉得这一个光子引起的变化完全可以忽略不计,但派瑞克认为这一个光子是必须计算在内的,正是因为少了个光子,黑洞轻了一丝,半径一缩小,导致黑体谱偏移,信息就带出来了。我们讲的好像很简单,其实计算起来麻烦透顶,要计算量子隧穿效应。他们计算的是史瓦西黑洞和RN黑洞,派瑞克因此获得了国际引力学会的一等奖。

        他们的论文一发表,世界人民又一次开启刷论文模式:你算个RN黑洞,那好啊,还有克尔黑洞没人算呢,我去算个克尔黑洞;你算个光子辐射,那电子行不行啊?其他粒子行不行啊?基本粒子不要太多哦!你别以为灌水刷屏是没有意义的事啊,大家灌水一多,会发现他们的论文里面有瑕疵。派瑞克的计算过程里用到了可逆过程,但此处不可以使用可逆过程,那么他们的证明很有可能就是无效的,一朝回到解放前。论文无效的话,奖项是不是也无效了呢?那倒是不必,如此尖端的领域,思想突破比最终的计算更重要。

        到了2004年,霍金做了一个演讲。他认为自己输了,认为黑洞可能过于理想化了,真实情况恐怕不是这个样子,信息是守恒的。索恩不服气啊,他说这事不能霍金一个人说了算,你也不商量一下就认输了。普雷斯基听得一头雾水,他也不知道自己怎么就赢了。不管怎么样,霍金是认输了,答应给人家一本《棒球百科全书》,这次打赌的赌注是信息本身,哪知道这本书绝版了,买不到,霍金就给人家找了一本《板球百科全书》凑合了。

        索恩不依不饶,就是不认账,反正他也不亏,那本书本来他也需要掏钱,他没给。他自己也很喜欢打赌,而且经常赢。霍金输多赢少,索恩赢的比较多。当然索恩也输过,他跟苏联人打赌,结果输了一瓶上等的威士忌,苏联人爱喝酒那是出名的。索恩的研究范围很广,到处都有涉足,最出名的成就就是对于虫洞的研究。这个虫洞要从爱因斯坦讲起了。爱因斯坦-罗森桥,顾名思义是爱因斯坦与助手罗森合作完成的。他们认为:黑洞的奇点,会通向另外一个宇宙,那边是个白洞,会喷出来。但是后来研究发现,黑洞到白洞之间的那个喉部是封死的,物质或者信息要想穿越过去是不可能的,只有
超光速的信号才能传过去。现在我们找不到超光速的信号,光速是物理极限,因此这个爱因斯坦罗森桥是死口,通不过去。

        到了1957年,米斯纳和惠勒一起研究,发现了虫洞的确可能存在。惠勒非常擅长起名字,“虫洞”这个名字又是惠勒给起的,这个名字很形象。他们研究的这个虫洞,依然无法通过,两个黑洞的奇点可能一瞬间能够联通起来,但是马上就断了,连光都来不及穿过去。假如是克尔黑洞行不行呢?毕竟奇环比奇点可爱多了,奇环不是像一个机器猫的任意门吗?可以穿进穿出才对啊。但索恩认为这是不行的,有个“柯西视界”,你一碰,这个通道就塌了。这时候量子科学家们又出来搅局,他们说奇点和奇环附近有大量的量子效应,你会烧得渣都不剩,说起来也很有道理。假如把虫洞附近量子涨落之类的情况全考虑进去,真不知道是什么景象。

        一直到了二十世纪八十年代,对虫洞的研究进展都不大。那时候的虫洞,并没有如今这么大名气,直到出现了卡尔·萨根。这位可是科普界的达人,人家名气大,影响力强,不仅是科普达人,还是科幻作家。1985年,他写了一部科幻小说叫做《接触》,在小说里面需要一个星际穿越的情节。假如要跟织女星周围的人做联系,就必须想法子穿越到织女星周围去。卡尔·萨根想利用黑洞,从这边的黑洞跳进去,然后从那边的白洞喷出来,这不就完成穿越了吗?他写完了小说以后,找索恩把把关找找BUG,索恩看后告诉卡尔·萨根,不作死就不会死,不要用黑洞,进黑洞是自寻死路,要改用虫洞,这玩意还是有可能玩儿出星际穿越的。

        卡尔·萨根听从了索恩的意见,后来小说大卖,还拍成了电影,算是最硬的硬科幻电影之一。好莱坞不会放过这么优秀的宏大题材,换成今天国内互联网业界术语这叫“IP”。虫洞也就从一个科学计算的模型,变成了一个公众常常挂在嘴边的名词。索恩决定要好好地研究一下虫洞(图16-2),探索可以穿越的虫洞到底需要什么条件才能成立。1988年,他和学生莫里斯发表了一篇论文,这篇文章发表在了《美国物理学》杂志上,这名字虽然带着“国字号”,其实只是给物理教师看的半科普性质的杂志,这相当于小庙来了尊大神仙。他们的论文就发表在了这么一本杂志上,严谨地证明了一个虫洞如果有足够多的负能物质是可以撑开的,可以稳定地存在一段时间。但是,需要的负能物质的量太大了,撑开一个半径一厘米的虫洞,需要地球质量的负能物质,撑开一个半径1千米的虫洞,需要太阳质量的负能物质,假如撑开一个一光年半径的虫洞,那就需要银河系星星总量一百倍的负能物质。


                                                            图16-2 虫洞

        即便是撑开一个直径一厘米的仅能偷窥的虫洞,我们需要的负能物质也多得惊人。想让一个大活人钻过去,那是不可能的。1千米够不够呢?其实也不够。直径过小,张力会扯碎任何物质。说白了,时空不平摊,扭曲太厉害,物质受不了,只有超过一光年大小的虫洞,才有可能不会扯碎物质。原子可能不会扯碎,人就保不齐了。况且需要的并不是我们宇宙中随处可见的正能量物质,而是负能量物质,这种物质恐怕找都找不到。

        什么是负能物质呢?大家知道质量可以折算成能量,E=mc 2 这个公式,大家都不陌生。光速的平方,一定是个正值,能量要形成负数,只有质量是负的才行。负质量物质,一切行为都与正质量物质相反,万有引力变成斥力了,你明明向前推,它却反过来向后加速。中学生都知道F=ma,F是正的,m是负的,a当然是负的,F与a的符号总是相反,反正这种物质非常奇怪。

        那么,能不能用其他的途径获得负能量的物质呢?答案是可以的。按照量子力学的描述,真空不空,真空并非空无一物,而是一片沸腾的量子海洋,各种虚粒子在其中不断出现,然后又不断泯灭。在1948年,卡西米尔描述了一个现象,这个现象后来被称为“卡西米尔效应”:在真空里,插入两块金属板,相互平行不接触,当距离非常近的时候,两块金属板会感受到一股向内的压力。两块金属板是电中性的。那么这股压力是哪里来的呢?卡西米尔给出了解释:两块金属板之间,并非什么频率的波都能稳定存在,因为驻波的作用,只有特定频率的波才能存在。量子力学有一个很有意思的现象,叫做“波粒二象性”:一个粒子,既是粒子又是波。两块金属板之间,只有波长合适的粒子才能存在,金属板外侧,没这个限制,任何粒子都可以存在。因此两块金属板内侧与外侧的量子态不一样,导致产生了一股向内的压力。两块金属板相距十纳米的话,压强可以达到一个大气压。

        真空,我们认为是能量最低态,是计量的基准线。可是这两块金属板之间的能量,比真空还要低,否则它俩怎么会被真空往里压呢?真空假如是能量的0点,那么这两块金属板之间的能量一定比0还要低,就相当于负能物质。卡西米尔效应已经被荷兰的莱顿实验室检测到了,已是板上钉钉的事实,这等于用实验的方式证明了真空不空,真空是量子沸腾的海洋。

        当然了,卡西米尔效应的负能量太微弱了,相当于一立方米空间内只有几个负质量物质粒子,显然没有办法搞出那么大的规模。如果那么容易就能弄到一斤两斤的负能物质,虫洞也就不会如此罕见了。基普索恩计算出来的虫洞是个稳定存在的虫洞,这种类型叫做“洛伦兹虫洞”。你从洛伦兹虫洞穿越,相当于抄近道走捷径,再短的捷径也还是要花时间才能通过。还有另一种“欧几里得虫洞”,这种虫洞描述起来就像科幻小说里的“瞬移”,突然发生突然消失。在电影《大话西游》中周星驰在月光下高喊“般若波罗蜜”,然后就瞬间穿越了,或许去了别的地方,或许去了别的时代,从此时空变得乱七八糟,这估计就是遇上了欧几里得虫洞。欧几里得虫洞需要极强大的磁场,地球上根本搞不出这么强的磁场,只有高速旋转的中子星周围,大概才能有这么强大的磁场。但我们显然没办法去中子星边上检验一下,穿越瞬移之类的事情也就只能停留在人们的文学作品里了。

         鉴于如今网络小说中穿越的情节已经泛滥成灾,一个人穿、组队穿、正着穿、反着穿,都已经都被人翻来覆去写了太多太多次,因此我也就不详细描述时空穿越的基本知识了。但是我们的宇宙似乎会阻止穿越事件的发生,说起来不得不提到一个叫“外祖母悖论”的问题:一个人要是通过时间旅行,回到过去杀了他的外祖母,外祖母没生孩子之前死掉了,那么他自己也就不可能存在了,这在逻辑上出现了悖论。好在这事到现在也没有发生过,时间旅行者我们半个也没见过,对此,有人会提出平行宇宙理论:你穿越回去改变历史,其实并没有改变原来的时间轴,而是使时空发生了分裂,在这个节点上产生了一个新的分支,与原来是并列关系,这样的话,逻辑悖论是解决了,但是这个平行宇宙又该如何验证呢?物理学家们可是需要确实可靠的证据。“多世界”理论虽然现在很流行,但是也没有办法去验证。

        霍金倾向于不能干预历史,为什么不能干预历史呢?他没办法给出理由,只是认为某条物理定律一定会阻碍你干预历史,这与彭罗斯的“宇宙监督者假设”有异曲同工之妙。不过我们仍然不清楚到底是哪条定律会阻止这种逻辑上的悖论。小说家常用的手段叫做“香蕉皮”:主角本来要改变历史,但是事不凑巧,脚底下一滑,摔了个大马趴,错过了机会。大家以后有机会穿越,小心脚下,千万别踩到香蕉皮。基普索恩如今已是位七十来岁的老人,他还在好莱坞大片《星际穿越》里担任了科学顾问。他写了一本书叫《星际穿越中的科学》,详细描述了他如何设定一个与导演需求相符又不违反物理学的黑洞,这是如今对黑洞虫洞等方面科普最深入的一本书。这本书没有几个公式,毕竟当年霍金得到的忠告是每加一个公式,读者就会少一半。霍金的好基友索恩基本也秉持了这个原则,在这本书里面你可以看到如何计算一个克尔黑洞的吸积盘,黑洞周围的光影是如何扭曲的。如果你对黑洞虫洞有兴趣,不妨去看索恩的书,如何科学地穿越,这本书是你有用的指南。宇宙诞生之初,量子涨落极其剧烈,时空也被扭曲得乱七八糟。你见过一连串肥皂泡吗?宇宙诞生之初也很可能被扭曲成了这个样子,泡泡们连接在一起,可能泡泡里面还有泡泡,就如同宇宙里面还可能有子宇宙或者孙宇宙。是不是会留下某些通道残存到今天呢?这一切又要回到大爆炸的那一刻去寻找答案了。

        我们在太空空间站的高度俯瞰地球,下面是蔚蓝色的海洋。我们总感觉海洋很平静,就像个光滑的玻璃球一样,但是等我们下降到飞机航班的高度,已经可以看见波光粼粼的海面上波浪起伏了。再离得近了细节就可以看得更加清楚,海面总体来讲还是很平静的,但是进一步下降高度,到了海平面附近,那么就与远看完全不是一码事。我们可以看到一个大浪打来,溅起无数的水花与泡沫。在真空量子起伏的层面上也是一样的,从宏观上看,真空是平静的,但在微观尺度上某一瞬间内并不平静。时空有起伏,尤其是在宇宙诞生的早期,那时候宇宙的尺寸其实很小很小,量子效应就像滔天的巨浪,会使时空扭曲成各种各样复杂的结构,溅起来的浪花泡沫,就形成了大大小小的子宇宙和孙宇宙。有些有虫洞相连,有的不相连,看上去就像是时空长了一串串的瘤子。那时候很微小的结构,随着时空的膨胀,到现在为止也会变得非常巨大。假如能发现那时候残留下来的虫洞,就赶快要找到足够的负能物质撑住它,千万别让它塌了,或许还能稳定留存以供研究。

        我们现在并不能直接知道大爆炸的奇点是什么样子,因为物理学法则到此为止,但是大爆炸开始后的那一瞬间,我们是可以推测出来的。那时候混沌初开,可以当做理想的气体去进行计算,因为那时候很单纯,一切都没有分化出来。让我们好好梳理一下,那时候都发生了什么:

1.大爆炸10 -43 秒:约摄氏10 32 度,宇宙从量子涨落背景中出现。
2.大爆炸10 -35 秒:约摄氏10 27 度,夸克、玻色子、轻子形成。
3.大爆炸5 -10 秒:约摄氏10 15 度,质子和中子形成。
4.大爆炸后0.01秒:约摄氏1000亿度,光子、电子、中微子为主,质子中子仅占10亿分之一,热平衡态,体系急剧膨胀,温度和密度不断下降。
5.0.1秒后:约摄氏300亿度,中子质子比从1.0下降到0.61。
6.1秒后:约摄氏100亿度,中微子向外逃逸,正负电子湮灭反应出现,核力尚不足束缚中子和质子。
7.大爆炸后3分钟左右,大约摄氏10亿度。核合成时代。伽莫夫他们也是据此推算出了氢氦之比为什么是今天这个样子。
8.38万年之后,宇宙变得中性透明,光子终于可以自由自在地飞翔。

         随着时间的推移,宇宙的膨胀,时至今日,第一缕光的波长已经拉得很长,频率降低到了微波波段,被彭齐亚斯和威尔逊意外地发现,大爆炸宇宙学有了一个坚固的观测证据。越来越多的人开始用大天线接受宇宙发出的信号,但是麻烦又摆在了科学家的面前:微波背景辐射似乎太均匀了。假如真的这么均匀的话,一切都处于平衡状态,物质就不会聚集成团,自然也就不会有天体诞生,也很难解释为什么会有如今的日月星辰。

         地面上的观测始终受到大气的影响,偏巧对微波背景辐射的观测又要求非常精确。科学家们费劲地把科学仪器装进高空气球里面,吊到高空去进行观测,但是结果都不太理想。气球不能长时间留存,飞得再高也还是在大气层里。理想的环境是在太空之中,发射探测卫星是最合适的方案。1974年,当时的美国国家航空航天局(NASA)公布了一个计划,可以让天文学家们提出各种探测器方案。有一百多个方案被提交,其中有三个是有关微波背景辐射探测的方案。1976年,NASA提出,这三个案能不能合并一下。经过一番努力,方案一年就拿出来了,称为宇宙背景探测者(COBE)方案,但是真正开工建造这颗COBE卫星拖到了1981年。这一项目有两个主要的负责人:马瑟和斯穆特。本来排着队应该是1988年发射,但是碰上了1986年挑战者号航天飞机爆炸,一切都被耽误下来,1989年年底才由德尔塔运载火箭发射升空。

        上天后的COBE不久便测量得到了完美的黑体辐射光谱,它的波长对应于2.7K。1992年,COBE卫星终于首次探测到了微波背景辐射温度的温度起伏,这是一项划时代的发现,因为要在天空背景中排除其他的噪声来寻找十万分之几的微小温度起伏,观测本身也是一项艰巨的任务。COBE卫星看得不算是太清楚,分辨率并不高,但是事情总算有了眉目,微波背景辐射里面的确有微小的起伏。看来宇宙并非绝对均匀,因而导致了尘埃气体可以在局部打破平衡地不断聚集,越来越大,直到最后形成天体,形成星系。可是,这些微小的起伏是怎么产生的呢?科学从来就是按下葫芦起来瓢,一个问题接着一个问题出现。

         麻省理工学院(MIT)的科学家阿兰·古斯提出,很可能宇宙大爆炸之后的一瞬间,时空在不到10 -34 秒的时间里迅速膨胀了10 78 倍。量子效应微小的不均匀性,可以在这个过程中被放大,我们应该能在微波背景辐射里找到痕迹。只有获取了更加精确的数据,才能进一步研究,这需要发射更加精密的探测器去太空。一不做二不休,趁热打铁,于是COBE卫星的接班人——威尔金森各向异性探测器升空了,这是以早期研究微波背景辐射的科学家威尔金森的名字命名的。这个探测器又会带来怎样的惊喜呢?且听下回分解……
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