什麼是蟲洞與五維空間,三分鐘告訴你!

什麼是蟲洞與五維空間,三分鐘告訴你!

宇宙浩瀚,但人類的探索從未止步。無論是科幻電影還是科幻小說,都在書寫對未來的思考、對未知的大膽想象。《星際穿越》就為我們講述了當人類遭遇生存危機時,穿越星系,尋找新家園的故事。影片所描繪的情景令人神往,宇宙飛船透過穿越蟲洞,抵達另一個星系。又透過進入黑洞內部,突破時間空間的藩籬,改變了人類命運。

人民日報《發現》欄目邀請南開大學物理學院副教授李磊與記者周飛亞,聊聊蟲洞、黑洞、五維空間、時空穿越等概念是否真的存在於宇宙中,人類距離真正瞭解它們,甚至實現電影中的穿越,還有多遠?

什麼是蟲洞與五維空間,三分鐘告訴你!

蟲洞,真的存在嗎?

在電影《星際穿越》中,未來地球已經被狂躁的沙塵暴摧毀;宇航員庫珀奉命飛往外太空,透過土星附近的一個蟲洞飛往宇宙另一端,尋找人類適合居住的新星球。片中土星旁邊一個美麗的球狀物體就是蟲洞,宇宙過於廣闊,從地球到達新的星球,飛船僅僅超越光速還不夠,還需要一個扭曲時空的蟲洞。

李磊:蟲洞是在廣義相對論中容許存在的一種特殊結構,它可以把時空中的兩個點直接連線起來,不管這兩點在空間距離上或時間間隔上相距多遠。對它的簡單理解,就如同一張紙上相隔較遠的兩個點,透過摺疊將兩點重合在一起。

利用蟲洞的特性,我們就有可能在較短的時間內完成遠距離的空間旅行,或者進行時間旅行。不過,我們還沒有在天文觀測中找到蟲洞存在的實驗證據。在理論上也還存在各種各樣的困難。例如,製造和維持蟲洞可能需要具有負能量的物質。

如果定義真空所具有的能量為零,那麼我們通常提到的所有物質和它們的運動形式都具有正能量,負能量就是能量比真空還低。現在知道,只有量子物理中的卡西米爾效應可以提供非常微弱的負能量。所以,蟲洞能否存在或製造出來,在理論上還要等待完全量子化的引力理論來作出判斷。

周飛亞:蟲洞為啥叫蟲洞?從蘋果表面的一個點到另一個點,走的是一條弧線,但假如有一條蟲子在兩點之間蛀出一條通道爬過去,就可以走距離短得多的直線了。而我們所在的三維宇宙,就是蘋果的表面。

這個形象的概念,在1957年正式誕生,1985年首次出現在科幻小說中——這部大名鼎鼎的小說,就是卡爾·薩根所作、後來被拍成了電影的《接觸》。值得一提的是,正是《接觸》的流行,使物理學家對蟲洞產生興趣,進行了更深入的研究——作為科學與文學的結晶,科幻,就是以這樣的方式反哺著“父母”。

如今,在物理學意義上的蟲洞有著多種模型,而在科幻小說和影視中,蟲洞大都是以“交通要道”的面目出現的。這樣的設定,表現了人們探索的慾望和對星空的嚮往。古往今來,人類一直在不斷開拓自己的領地,向著未知的遠方進發。我們的腳步,從非洲的一個原始部落邁出,踏遍了一塊大陸,再跨越海洋或天空,覆蓋了整個地球,最終將目光投向了浩渺宇宙。從這個意義上來說,蟲洞,不僅僅是一條捷徑,更代表了一個夢想。它所通往的,不僅僅是明確的目的地,更是無限新奇的未知世界。

有趣的是,在蟲洞概念誕生的同一年,蘇聯發射了人類的第一個航天器,向遙遠的外太空邁出了第一步。這,難道不是一個必然的巧合嗎?

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黑洞,真的是個窟窿?

李磊:黑洞不是一個黑窟窿,而是一種密度極大的天體。從目前的研究成果看,黑洞一般由恆星演化而來。暮年的恆星,在自身引力作用下發生收縮,半徑減小,中心密度增大。我們知道,質量越大,引力就越強,在恆星質量足夠大、滿足一定條件的情況下,其半徑收縮至小於某一個值時,密度會大到在它表面的光都無法逃離的地步,這個時候天體就不可見了,我們把它叫做黑洞。

天文觀測發現,除了前面所說的恆星級黑洞,在大型星系的中心還存在著由於引力坍縮所形成的超大質量黑洞,其質量可以達到太陽質量的幾百萬倍至一百億倍以上。

很多人相信黑洞最後將坍縮成一個體積無窮小、密度無限大的奇點,圍繞著這個奇點存在一個無法逃逸的區域,這個區域的邊界稱為視界。在視界以外的觀察者不受視界以內任何事件的影響,也無法獲得視界以內任何事件的資訊。如果有人從外向內穿越了視界,那麼在遠處的觀察者看來,視界附近的時間流逝速度也將發生特別有趣的變化。另外,從溫度的角度來說,人類平安穿過視界進入黑洞的可能性也是幾乎沒有的。黑洞外圍的溫度太高,一接近它就被熱成等離子體了。

周飛亞:如果要給科學界的研究物件列一個神秘排行榜,黑洞一定是名列前茅的嘉賓。質量無限大,體積無限小,連速度最快的光都無法逃脫其魔爪,誰也不能探測到其內部是什麼——這樣的特質,給黑洞戴上了嚴實的面紗。

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不過,雖然神秘,但在《星際穿越》裡那一系列玄乎的事物中,黑洞反而是最靠譜的一個了——至少,它是唯一經科學證實確實存在的。

哲人蘇格拉底有句名言,“我所知道的就是我一無所知”,面對黑洞一籌莫展的科學家們一定會把他引為知音。不過,也正是這種幾乎一無所知的境況,給了科幻文學作品盡情施展的空間。總的說來,黑洞已經客串瞭如下角色:宇宙中的暗礁,千萬要避開的危險區域;航路上的加油站,利用其巨大的引力來獲取加速度、節省燃料。

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事實上,蟲洞理論中的一種就認為黑洞是蟲洞的一部分,在這種理論中,黑洞還有一個兄弟叫白洞,墜入黑洞的飛船就是從白洞掉出來。此外,科學家們還提出了量子層級的微型黑洞的假設,它們的結構很不穩定,產生與消失的速度都極快,而在一些科幻小說中,微型黑洞已經成為未來的大規模殺傷性武器。

看起來,這些離我們還很遙遠,也許在將來的某一天,它們還會被不斷髮展的科學證明是謬誤。但是,這並不能熄滅我們幻想未來的熱情。人類一思考,上帝就發笑,可如果不思考,上帝連發笑都不屑。(據人民日報)

什麼是蟲洞與五維空間,三分鐘告訴你!

在電影《星際穿越》中,連續探索了兩個看似適合人類居住的星球之後,庫珀把補給留給了隊友,自己再次穿越蟲洞嘗試返回地球,結果他墜入了一個奇幻的空間:女兒書房裡的書架背後。這個時間可以逆轉,庫珀看到了當年在這個房間自己跟女兒告別的情景,但他無法打破這個空間,也無法讓其他人看見、聽見自己。這就是一個五維空間,不同於我們所在的三維空間,五維空間裡時間是如同一座山一樣實質存在的,庫珀需要告訴女兒如何解開五維空間的方程式,能透過五維空間傳遞的只有重力。於是他用灰塵的重力和手錶的指標傳送摩斯電碼,把方程式的答案傳給了長大後的女兒。

什麼是蟲洞與五維空間,三分鐘告訴你!

科學家們認為,三維空間模型已經是非現實的,宇宙學家將時間看作第四維,而第五維指的是能量無界限。根據科學家的假設,宇宙是平坦的,而這就有可能作時光旅行。

事實上的物理維度是多樣的,我們熟知的是三個空間維度和一個常聽說的時間維度:

零維向任意方向(方向是任意的)生長,就形成了一維線(直線);

一維線延法線方向(方向在一個平面內,所以是法平面,是二維的)生長就形成二維面;

同理,二維面延法線方向(方向固定了,在一直線上)生長得到三維體。

而三維體在空間上已經沒有生長可能。(這是用推論法得出的:零維點有三維生長方向,一維線有二維平面為生長方向,二維平面有一維線為生長方向。生長方向隨空間維度的升高而遞減。三維體的生長維數為零。)所以三維空間不可能生長成四維空間。

四維的稱為時空,時間維度是獨立在空間維度之外的物理維度。

那麼五維是什麼呢?

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如果說時間(四維)是由三維運動構成的,那麼五維就是由四維運動構成的。第五維空間其實就是一個時間平面。我們可以想象,一個五維空間的物體,應該是跨越不同時間軸線的,但在任意一個時間軸線上我們只能觀察到它的一部分。

還有沒有六維、七維?

請注意,物理中的維度是從數學上定義的。從這個意義上來說。六維、七維乃至更高維度,都是有的。

現代物理學界公認的理論是八維空間,分為X維(物體的長)、Y維(物體的寬)、Z維(物體的高)、時間維、重力維、電磁力維、萬有引力維、萬有斥力維。而著名的科學家霍金所提出的宇宙模型,給出了11維空間!

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