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秒懂霍金理论(2)《时间简史》与光锥



上一集

我们谈到了霍金的“时空观”

 (可以点击下面链接回顾上集)


【链接】

 

那么究竟霍金怎么给时空打造物理模型

 

秒总这就来带大家探索一番


 


 

很多人都曾仰望星空

观察是人类特有的能力

 

我们的视觉所能捕抓到的视野

构成了一个锥体

称为“视锥”

 


 

视锥所见的物体有近大远小的规律

称为“透视原理”

 


 

可见

观察者眼中的空间并不是真实的

 

同样的

观察者所看到(感受到)的时间

不是真实的

 


 

观察是一件奇妙的事情

看到的实在是真实的存在吗?

或者是幻觉

 


 

而霍金正是利用科学

不断地冲击人们固有的“实在论”观点



 


 

《时间简史》

描述了一种叫做光锥的事物

很多人并没有搞清楚是什么

秒总将用推理的方式

逐步给大家解读这个神奇的存在

 


 

首先

广义相对论认为

世界由“三维的空间”“一维的时间”构成

 

 

 

为了研究方便

我们把“三维世界空间”

压缩成“二维的世界片”

 


 

然后把不同时间上的世界片都标出来

 


 

当一个人静止不动时

他在时间轴上移动

但不在空间轴上移动

 


 

当人运动

同时在时间与空间轴上移动

就会形成一个倾斜的向量

 


 

然后再来一个极端的例子

当人的速度达到最高速度(光速)

移动的向量变得最斜

 


 

光速的向量在各处都存在

于是它将围起一个锥体

 


 

同样的

在过去的时间轴上也有同样的锥体

组成一个完整的光锥

 


 

相对论证明,任何物体都不能超越光速

因此任何事件都不能超出光锥的内部

 


 

这就是《三体》中所说的


“光锥之内即命运”

 

也即

任何事件都不可能在光锥以外发生

 


 

光锥是事件从发生到结束的边界范围

 

就像我们仰望星空

其实我们的观察只被局限在一个视锥里面一样

我们的命运也被锁死在一个光锥里面

 






 


我们再来看看

霍金最为人称道的研究领域:黑洞

黑洞模型其实也是一个锥体


这不是巧合

这就是宿命

 

广义相对论证明

大质量物体会扭曲其周围空间

就像铁球放在弹簧床一样

 


 

当球体的质量无穷大、体积无穷小

被扭曲的空间变成了锥形

 


 

而黑洞就是大质量恒星

坍缩成奇点(质量无穷大、体积无穷小的点)后导致的

 


 

当折叠的宇宙空间上具有两个黑洞

就构成了犹如“光锥”一般的造型

 


 

中间的连接处是“爱因斯坦·罗森桥”

也就是我们俗称的“虫洞”

 


 

黑洞具有巨大的引力

光线都逃不出去


犹如“光锥”一般

黑洞也是无法逃脱的命运的牢笼

 


 

当物体被黑洞进去的时候

会被撕裂

 


 

但是霍金认为

被碎裂的信息不会被销毁

而是可以复原

 


 

霍金举了一个非常漂亮的比喻

把黑洞想象成留声机


当它刻录

声音被吸进去压缩到碟片上

 


 

当它播放

碟片中的信息被还原

 


 

现在把留声机变回黑洞

碟片就是一个“全息屏”

 


 

“全系理论”认为

我们的宇宙

其实就是另一个高维度世界的投影

 





 

霍金研究的黑洞和宇宙

都具有相似的模型

 

是的

依然是“锥体”

 


 

霍金彭罗斯证明了宇宙的“奇性定理”

认为宇宙诞生于一次大爆炸

而大爆炸的原点就是一个致密的“奇点”

 


 

世间一切物体

小到原子,大到太阳

都起源于这个极其微小的奇点

 


 

换言之

世界上任何一个东西的点

都能在奇点上找到对应的点

 


 

整个宇宙是奇点的投影


奇点是放映机

宇宙是全息屏

 


 

奇点是个“卡丘空间”

具有折叠的11个维度

而我们的宇宙只有3维


高维投射低维

因此我们的宇宙是个全息屏

 


 

但在宇宙锥体模型上

奇点需要量子物理学来解释

宇宙需要广义相对论来解释

 


 

这两个理论水火不容

并且都无法描述奇点真正的形态

 


 

奇点在他们看来

就是一个镂空的点

 


 

因为在奇点中没有时间和空间

因此也就“无解”

 


 

霍 金 恍 然 大 悟 !

 


 

当时笛卡尔在遇到“根号负一”无解的情况时很苦恼

于是强硬地设定:

 


 

并将“i”称为“虚数”

构建了一个不存在的数

 


 

而在宇宙学中

霍金在奇点无解的情况下

也强硬地设定了一个“虚时间”

填充在奇点空白的解上

 


 

仅仅一个假想的概念

马上让量子物理学广义相对论起死回生

 


 

在宇宙奇点的另一个方向上

产生了一个由虚时间描述的宇宙

 


 

这个模型我们太熟悉了

宇宙、黑洞、光锥、视锥···


这难道就是世界的真相吗?

 



 

德福德·思科曾提出一个“镜像宇宙”的学说

他认为

两个宇宙沿着相反的时间轴“生长”(大爆炸)出来


原来霍金和他“英雄所见略同”

 


 

“虚时间”是一个革命性的概念

这比霍金的在“黑洞辐射”与“奇性定理”的成就更耀眼

 


 

下一集

我们便来认识霍金的“虚时间”

“无边界宇宙理论”



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