《星际穿越》爆红 3分钟读懂虫洞 五维空间(组图

2019-06-24 作者:科技专栏   |   浏览(61)

  宇宙浩瀚,但人类的探索从未止步。无论是科幻电影还是科幻小说,都在书写对未来的思考、对未知的大胆想象。《星际穿越》就为我们讲述了当人类遭遇生存危机时,穿越星系,寻找新家园的故事。影片所描绘的情景令人神往,宇宙飞船通过穿越虫洞,抵达另一个星系。又通过进入黑洞内部,突破时间空间的藩篱,改变了人类命运。

  在电影《星际穿越》中,未来地球已经被狂躁的沙尘暴摧毁;宇航员库珀奉命飞往外太空,通过土星附近的一个虫洞飞往宇宙另一端,寻找人类适合居住的新星球。片中土星旁边一个美丽的球状物体就是虫洞,宇宙过于广阔,从地球到达新的星球,飞船仅仅超越光速还不够,还需要一个扭曲时空的虫洞。

  李磊:虫洞是在广义相对论中容许存在的一种特殊结构,它可以把时空中的两个点直接连接起来,不管这两点在空间距离上或时间间隔上相距多远。对它的简单理解,就如同一张纸上相隔较远的两个点,通过折叠将两点重合在一起。

  利用虫洞的特性,我们就有可能在较短的时间内完成远距离的空间旅行,或者进行时间旅行。不过,我们还没有在天文观测中找到虫洞存在的实验证据。在理论上也还存在各种各样的困难。例如,制造和维持虫洞可能需要具有负能量的物质。

  如果定义真空所具有的能量为零,那么我们通常提到的所有物质和它们的运动形式都具有正能量,负能量就是能量比真空还低。现在知道,只有量子物理中的卡西米尔效应可以提供非常微弱的负能量。所以,虫洞能否存在或制造出来,在理论上还要等待完全量子化的引力理论来作出判断。

  周飞亚:虫洞为啥叫虫洞?从苹果表面的一个点到另一个点,走的是一条弧线,但假如有一条虫子在两点之间蛀出一条通道爬过去,就可以走距离短得多的直线了。而我们所在的三维宇宙,就是苹果的表面。

  这个形象的概念,在1957年正式诞生,1985年首次出现在科幻小说中—这部大名鼎鼎的小说,就是卡尔·萨根所作、后来被拍成了电影的《接触》。值得一提的是,正是《接触》的流行,使物理学家对虫洞产生兴趣,进行了更深入的研究—作为科学与文学的结晶,科幻,就是以这样的方式反哺着“父母”。

  如今,在物理学意义上的虫洞有着多种模型,而在科幻小说和影视中,虫洞大都是以“交通要道”的面目出现的。这样的设定,表现了人们探索的欲望和对星空的向往。古往今来,人类一直在不断开拓自己的领地,向着未知的远方进发。我们的脚步,从非洲的一个原始部落迈出,踏遍了一块大陆,再跨越海洋或天空,覆盖了整个地球,最终将目光投向了浩渺宇宙。从这个意义上来说,虫洞,不仅仅是一条捷径,更代表了一个梦想。它所通往的,不仅仅是明确的目的地,更是无限新奇的未知世界。

  有趣的是,在虫洞概念诞生的同一年,苏联发射了人类的第一个航天器,向遥远的外太空迈出了第一步。这,难道不是一个必然的巧合吗?

  李磊:黑洞不是一个黑窟窿,而是一种密度极大的天体。从目前的研究成果看,黑洞一般由恒星演化而来。暮年的恒星,在自身引力作用下发生收缩,半径减小,中心密度增大。我们知道,质量越大,引力就越强,在恒星质量足够大、满足一定条件的情况下,其半径收缩至小于某一个值时,密度会大到在它表面的光都无法逃离的地步,这个时候天体就不可见了,我们把它叫做黑洞。

  天文观测发现,除了前面所说的恒星级黑洞,在大型星系的中心还存在着由于引力坍缩所形成的超大质量黑洞,其质量可以达到太阳质量的几百万倍至一百亿倍以上。

  很多人相信黑洞最后将坍缩成一个体积无穷小、密度无限大的奇点,围绕着这个奇点存在一个无法逃逸的区域,这个区域的边界称为视界。在视界以外的观察者不受视界以内任何事件的影响,也无法获得视界以内任何事件的信息。如果有人从外向内穿越了视界,那么在远处的观察者看来,视界附近的时间流逝速度也将发生特别有趣的变化。另外,从温度的角度来说,人类平安穿过视界进入黑洞的可能性也是几乎没有的。黑洞外围的温度太高,一接近它就被热成等离子体了。

  周飞亚:如果要给科学界的研究对象列一个神秘排行榜,黑洞一定是名列前茅的嘉宾。质量无限大,体积无限小,连速度最快的光都无法逃脱其魔爪,谁也不能探测到其内部是什么—这样的特质,给黑洞戴上了严实的面纱。

  不过,虽然神秘,但在《星际穿越》里那一系列玄乎的事物中,黑洞反而是最靠谱的一个了—至少,它是唯一经科学证实确实存在的。

  哲人苏格拉底有句名言,“我所知道的就是我一无所知”,面对黑洞一筹莫展的科学家们一定会把他引为知音。不过,也正是这种几乎一无所知的境况,给了科幻文学作品尽情施展的空间。总的说来,黑洞已经客串了如下角色:宇宙中的暗礁,千万要避开的危险区域;航路上的加油站,利用其巨大的引力来获取加速度、节省燃料。

  事实上,虫洞理论中的一种就认为黑洞是虫洞的一部分,在这种理论中,黑洞还有一个兄弟叫白洞,坠入黑洞的飞船就是从白洞掉出来。此外,科学家们还提出了量子层级的微型黑洞的假设,它们的结构很不稳定,产生与消失的速度都极快,而在一些科幻小说中,微型黑洞已经成为未来的大规模杀伤性武器。

  看起来,这些离我们还很遥远,也许在将来的某一天,它们还会被不断发展的科学证明是谬误。但是,这并不能熄灭我们幻想未来的热情。人类一思考,上帝就发笑,可如果不思考,上帝连发笑都不屑。(据人民日报)

  在电影《星际穿越》中,连续探索了两个看似适合人类居住的星球之后,库珀把补给留给了队友,自己再次穿越虫洞尝试返回地球,结果他坠入了一个奇幻的空间:女儿书房里的书架背后。这个时间可以逆转,库珀看到了当年在这个房间自己跟女儿告别的情景,但他无法打破这个空间,也无法让其他人看见、听见自己。这就是一个五维空间,不同于我们所在的三维空间,五维空间里时间是如同一座山一样实质存在的,库珀需要告诉女儿如何解开五维空间的方程式,能通过五维空间传递的只有重力。于是他用灰尘的重力和手表的指针发送摩斯电码,把方程式的答案传给了长大后的女儿。

  科学家们认为,三维空间模型已经是非现实的,宇宙学家将时间看作第四维,而第五维指的是能量无界限。根据科学家的假设,宇宙是平坦的,而这就有可能作时光旅行。

  事实上的物理维度是多样的,我们熟知的是三个空间维度和一个常听说的时间维度:

  一维线延法线方向(方向在一个平面内,所以是法平面,是二维的)生长就形成二维面;

  而三维体在空间上已经没有生长可能。(这是用推论法得出的:零维点有三维生长方向,一维线有二维平面为生长方向,二维平面有一维线为生长方向。生长方向随空间维度的升高而递减。三维体的生长维数为零。)所以三维空间不可能生长成四维空间。

  如果说时间(四维)是由三维运动构成的,那么五维就是由四维运动构成的。第五维空间其实就是一个时间平面。我们可以想象,一个五维空间的物体,应该是跨越不同时间轴线的,但在任意一个时间轴线上我们只能观察到它的一部分。

  请注意,物理中的维度是从数学上定义的。从这个意义上来说。六维、七维乃至更高维度,都是有的。

  现代物理学界公认的理论是八维空间,分为X维(物体的长)、Y维(物体的宽)、Z维(物体的高)、时间维、重力维、电磁力维、万有引力维、万有斥力维。而著名的科学家霍金所提出的宇宙模型,给出了11维空间!

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