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主宰宇宙宿命的法则:揭秘物理世界的四大定律

简介:

揭秘物理世界的四大定律

从17 世纪开始,物理学家们就在努力探索物理定律是如何构造并控制宇宙的。这与欧洲早期的探险家们进行的地理大发现很像(见图2-1)。

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1506 年,马丁· 瓦尔德泽米勒(MartinWaldseemuller)绘


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1570 年,亚伯拉罕·奥特柳斯(Abraham Ortelius)绘


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1744 年,伊曼纽尔· 鲍恩(Emanuel Bowen)绘

图2-1 1506—1744 年的世界地图


1506 年,欧亚大陆的版图已然清晰,但南美洲仍在“朦胧”之中。1570 年,美洲的轮廓已经清晰,但地图上仍然没有澳洲的丝毫踪迹。1744 年,澳洲的版图也清晰了,但南极洲仍是未知领域。


类似的情况也发生在物理世界中(见图2-2)。到1690 年,牛顿定律(NewtonianLaws of Physics)已经广为人知。通过力、质量和加速度这些物理概念,以及联系这些物理概念的方程,例如F = ma,牛顿定律可以精确地描述月球环绕地球的运动、地球环绕太阳的运动、飞机的飞行轨迹、大桥的建造原理以及小孩子所玩的弹珠的碰撞原理。在第1 章,我们简要地描述过牛顿定律的一个例子:平方反比引力

定律。


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图2-2 控制宇宙的物理定律


到1915 年的时候,爱因斯坦和另一些物理学家已经发现了有力的证据,证明牛顿定律在某些情况下会失效,包括研究涉及超高速运动时(物体以接近光速运动)、涉及超大尺度(例如研究宇宙时)以及非常强的引力场时(例如黑洞)。


为了弥补这些漏洞,爱因斯坦提出了革命性的相对论物理定律(relativistic laws of physics)。通过引入弯曲的时间和弯曲的空间的概念(我会在下一章中论及),相对论预言并描述了宇宙膨胀、黑洞、中子星以及虫洞。


到1924 年的时候,人们已经非常清楚地知道牛顿定律在微观尺度上也不适用了(例如当研究分子、原子和基本粒子时)。为了解决这个问题,尼尔斯·波尔(Niels Bohr)、维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg)、埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger)等物理学家们为我们引入了量子定律(QuantumLaws)。这种理论认为万物都会有点儿随机的涨。随机涨落能从真空中产生新粒子和辐射。量子定律给我们带来了激光、核能、发光二极管以及对化学更深刻的理解。


到1957 年,相对论物理定律和量子定律在本质上的分歧变得愈发明显。在引力非常强、量子效应也非常强的情况下,它们作出了不同的预测,且互不相容。[1]这种情况包括:宇宙诞生的大爆炸、黑洞(比如卡冈都亚)的核心部分,以及向过去传递信息的时间旅行。在这些情况下,不兼容的相对论物理定律和量子定律卷进了“火爆的婚姻”[2]中,量子引力理论(laws of quantum gravity)由此产生(见图2-2)。


我们至今还不清楚量子引力理论的具体法则,但是我们获得了一些很有吸引力的见解,包括超弦理论(见第20 章)[3],这全要归功于21 世纪全世界最杰出的物理学家们的巨大贡献。尽管我们对之有了一些理解,但量子引力理论仍然是一片未知的世界。这反倒给了那些激动人心的科幻小说以施展拳脚的空间,也给了诺兰充分的想象空间,以使他在《星际穿越》中展示了自己精湛的电影技巧。

科学事实、有根据的推测和猜想

电影《星际穿越》中的科学依据涉及以上所有4 个理论领域:牛顿定律、相对论物理定律、量子理论和量子引力理论。这其中,一些内容是科学事实,另一些是有根据的推测,还有一些是猜想。所谓的“科学事实”必须植根于已经建立的物理定律(牛顿定律、相对论物理定律或者量子理论)。并且,它要有足够多的观测事实作为基础。而这些观测事实,都可以被以上物理定律描述。


具体而言,我在第1 章中讲到的中子星和磁场是真实存在的,属于科学事实。为什么这样讲呢?首先,中子星是由量子定律和相对论物理定律切实预言而存在的。其次,天文学家们对大量来自中子星的脉冲辐射(pulsar radiation)进行了研究(包括可见光、X 射线、射电辐射)。这些脉冲辐射的观测数据非常漂亮,如果这些脉冲辐射来源于自转的中子星,那么它们可以精确地被量子定律和相对论物理定律描述。并且,人们至今还没有找到其他合理的解释。再次,中子星是切实的天文学预言,它们产生于超新星(supernovae)爆发。在超新星爆发的遗迹——巨大膨胀的气体云中心,我们观测到了同样的脉冲辐射。因此,天体物理学家们对以下结论深信不疑:中子星确实存在,并且发出了可观测到的脉冲辐射。


另一个科学事实是黑洞卡冈都亚和由它偏折光线所产生的恒星图像的扭曲(见图2-3)。物理学家们称之为“引力透镜”[4],因为这和我们使用放大镜或者曲面镜看到的变形图像非常像,比如我们在游乐园的哈哈镜中所见的景象。

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来自双重否定公司视觉特效团队为本书所做的图像模拟

图2-3 黑洞卡冈都亚所在星系的恒星,它们围绕在卡冈都亚的阴影周围。卡冈都亚折射了发自恒星的光线,因此这个星系看起来被强烈地扭曲了。这就是星系的引力透镜现


爱因斯坦的相对论物理定律明确地预言了黑洞的所有性质,从黑洞的表面到外围,包括引力透镜现象。天文学家们则拥有确凿的观测证据表明宇宙中的确存在黑洞,包括像卡冈都亚一样的超大质量黑洞。天文学家们已经观测到很多引力透镜现象(参见图2-3)。尽管由黑洞引起的引力透镜现象尚未有记录,但已有的引力透镜观测与爱因斯坦相对论物理定律的预言非常精确地吻合了。


这对我来说已经足够了。我提供了卡冈都亚的引力透镜方程,而保罗· 富兰克林的团队据此进行了图像模拟,这些图像就是我们可能会看到的真实图景。相反,电影中“枯萎病会危及人类在地球上的生存”的桥段,一方面是一个有根据的推测,而另一方面也是一种猜想。下面我来解释一下。

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电影《星际穿越》剧照,由华纳兄弟娱乐公司授权使用

图2-4 焚烧感染了枯萎病的农作物


在历史上,我们可以找到农作物被“枯萎病”(由微生物引起的快速传播的疾病)困扰的相关记载。理解枯萎病需要进行生物学研究。生物学建立在化学理论的基础上,而后者基于量子定律。科学家们现在还不知道如何从量子定律推导出所有相关的化学理论(但是他们已经可以推导出很多了),他们也不完全知道化学和相关生物学之间的关系。然而,从观察和实验中,生物学家们已经知道了关于枯萎病的诸多事实。迄今为止,人们遇到的枯萎病还没有由一种农作物感染到另一种农作物,然后迅速蔓延以致威胁人类的生存。


但是,我们并不能保证这种事情不会发生。因此,“可能存在这样一种枯萎病”是有根据的推测,而“这种枯萎病某天确实会发生”则是一种猜想。不过,大多数生物学家还觉得这不太可能会发生。


影片中发生的引力异常,例如库珀扔出的硬币突然快速落到地板上,这是一个猜想。同理,利用引力异常离开地球、移民太空的情景也同样是猜想。


尽管实验物理学家们在测量引力效应时曾经努力寻找这些可能的异常现象——那些不能由牛顿定律或相对论物理定律来解释的现象。但是,在地球上,人们至今仍没有发现令人信服的引力异常现象。然而,在探索量子引力理论的过程中,人们发现宇宙似乎是更高维度的“超空间”中的一层宇宙膜①,物理学家们把这个高维空间叫作“超体”,请参见图2-5、第3 章和第20 章。当物理学家们把爱因斯坦的相对论物理定律运用到超体中时,正如影片中布兰德教授在他办公室的黑板上所写的(见图2-6),他们发现了引力异常存在的可能性——引力异常可以由超体中的物理场触发。


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图2-5 太阳周围的区域。在图中,宇宙被描绘成了一个二维的表面或者膜,存在于一个三维的超体中。事实上,我们的宇宙膜是三维的,而超体则是四维的。


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图2-6 布兰德教授黑板上的相对论物理定律方程描述了引力异常可能根植的物理学基础

实际上,我们还远不能确定超体的存在。如果超体存在且也属于爱因斯坦相对论物理定律统治的世界,那么“引力异常”才可以算是一个有根据的推测。可是,即使超体存在,我们也并不知道是否会有作用场能诱发引力异常,即使有,我们也不知道它能否被控制。所以,引力异常和控制引力异常是极致的猜想。但是这些猜想有一定的科学依据,我和我的物理学家朋友们很热衷于谈论这些问题——至少是在几杯啤酒下肚的晚上。所以这些猜想遵循的是在电影《星际穿越》中我所倡导的准则:“猜想起源于真实的科学,至少那些‘备受尊敬’的科学家们应认为这些猜想是有可能的。”


在整本书里,每当我们讨论到电影中的科学问题时,我都会说明这个问题的状态:

T (Truth)——科学事实;

EG (Educated Guess)——有根据的推测;

S (Speculation)——猜想。


当然,这些状态并不是一成不变的;你有时可能会遇到它们在电影里或在本书里发生变化的情况。对库珀来说,超体原本是一个有根据的推测。然而,当他进入超立方体后,这就变成了事实。而量子引力理论起初只是一个猜想,直到它被那个极富幽默的海军机器人塔斯(TARS)在黑洞中提取出来时,库珀和墨菲才意识到它的真实性。


对于19 世纪的物理学家来说,牛顿的平方反比引力定律是绝对真理;但是在19 世纪90 年代前后,它被革命性地颠覆了,起因是由于人们观测到水星环绕太阳的运动轨道存在一个微小的反常。牛顿定律对于太阳系的研究接近完美,但还差了一点儿。就这小小的异常开启了通往20世纪爱因斯坦相对论物理定律的大门。在强引力场下引力定律会改变,这开始只是一个猜想,后来有了观测数据的初步分析,就变成了有根据的推测,到1980 年,当进一步的观测证据肯定了这一理论时,它就变成了科学事实。


已被公认的科学事实很少遭到革命性的颠覆;但一旦发生,势必会对科学与技术产生深远的影响。猜想变成有根据的推测,最后变成了科学事实,你能找出生活中类似的例子吗?你是否经历过由自己建立的理论被推翻并引发革命性结果的事情呢?


摘自《星际穿越》

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[内容简介]
在《星际穿越》之后,这一系列问题全世界都在问!本书将会告诉你答案!
为什么黑洞会吞噬一切,甚至连光都不能幸免?
为什么虫洞不是一个洞,而是一个球?
又是什么神奇的力量,让米勒星球上的一小时等于地上七年?

最简明清晰的时间与空间理论入门读本。基普·索恩教授,电影《星际穿越》的唯一科学顾问,以浅显易懂的语言一一破解了宇宙中让人瞠目结舌的奇景——大爆炸、黑洞、时空弯曲、潮汐力、虫洞、引力弹弓、星际旅行等,解释了所有推动剧情的天体物理学理论,还就内容的真实性将书中的科学知识分为三种:科学事实、有根据的推测和猜想,并做了明确的标注,以帮助我们解开所有剧情设计与时空旅行之谜!

《星际穿越》是继《时间简史》之后天体物理学领域的又一里程碑式著作。


[作者简介]
基普·索恩(Kip Thorne)

全球顶尖理论物理学家,当今世界研究广义相对论下天体物理学领域的领导者之一。
致力于宇宙时空弯曲的研究,创建了全球知名的LIGO项目。
毕业于加州理工学院,在普林斯顿大学攻读博士期间师从于全球顶尖物理学家约翰·惠勒。毕业后回到加州理工学院任教,30岁时便成为该校历史上最年轻的教授之一。
好莱坞烧脑巨制《星际穿越》唯一科学顾问,电影科学性的最强保证。


[1]在引力场非常强、量子效应也非常强的情况下,光的能量有巨大的量子涨落,它的能量之大可以显著地并且是随机地扭曲时间和空间。这种涨落造成的扭曲超出了爱因斯坦相对论的范畴,而且这种扭曲对光的影响也超出了量子定律的范畴。


[2]“ 火爆的婚姻”这一说法是由我的导师约翰· 惠勒提出的,他对命名新事物非常在行。约翰还创造了“黑洞”、“虫洞”和“黑洞无毛”等词汇表达(参见第4 章和第13章) 。他跟我讲过,他曾泡在澡盆中数个小时, 把自己的头全部浸入肥皂泡里就是为了寻找一个形象、恰当的词。


[3]超弦理论(superstring theory):引进了超对称的弦论,是量子引力理论的候选者之一,包含11 维的时空。在这一理论中,我们的四维宇宙镶嵌在高纬度空间中,并能受到高维世界的影响。——译者注



[4]引力透镜(gravitational lensing):根据广义相对论,就是当背景光源发出的光在引力场(比如星系、星系团及黑洞)附近经过时,光线会像通过透镜一样发生弯曲。光线弯曲的程度主要取决于引力场的强弱。分析背景光源的扭曲,可以帮助研究其中作为“透镜”的引力场的性质。——译者注


原文发布时间为:2015-06-24

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