关心明天 / 前沿科技 / 你对“时间”真正了解多少(三)

0 0

   

你对“时间”真正了解多少(三)

2012-06-01  关心明天

 

通过虫洞做瞬时间的空间转移或者时间旅行示意图

测定万事万物的年龄

  时间可能非常神秘,但有一件事情我们可以确定:现代宇宙学认为,宇宙现在已经137.5亿岁高龄了,也就是4.3×10的17次方秒。

  我们是如何知道这一点的呢?要想计算出宇宙的年龄,需要进行一系列假设,这些假设与宇宙的几何形状、膨胀率以及组成成分相关。然而,只是到了最近我们才测算出宇宙的年龄。几年前,宇宙学模型表明,宇宙比其最古老的恒星还要年轻。

  现在,美国哈佛—史密森天体物理中心的索伦·梅波表示,测量结果和观察结果基本上能够相互印证,宇宙的年龄约为137.5亿岁。美国国家航空航天局(NASA)的研究人员使用威尔金森宇宙微波各向异性探测卫星(WMAP)研究了宇宙的背景辐射,他们认为宇宙的背景辐射是大爆炸的余晖,通过这些背景辐射,科学家们获得了各种各样的宇宙参数最精确的值,使用这些参数,他们追溯出宇宙的年龄约为137.5亿年。

  无独有偶,测量恒星年龄的方法也得到了改善,尽管这仍然是一件非常需要技巧的事情。追溯恒星的年龄需要测量恒星的质量、化学组成以及温度等属性,并且要将这些属性同某一特定类型的恒星的这些属性随时间变化而改变的模型进行比较。存在的一个问题是,很多这样的模型都要参照一颗年龄和性质我们能独立测量出来的恒星(比如太阳)来校准。

  据美国《每日科学》网站报道,梅波和同事发现了一种新的测量恒星年龄的方法。他们认为,天文学家可以通过测量恒星的旋转推断出恒星的年龄。梅波说:“恒星的自转速度随着时间的推移不断减缓,就像在桌面旋转的陀螺一样,可以将其看成一个时钟来确定它的年龄。”梅波和同事运用开普勒太空望远镜的独特功能,测量了被称为ngc6811的恒星群中的恒星的旋转速度。他们表示,如果恒星自转和年龄之间的关系能够被这一研究证实,那么衡量恒星的自转周期将能被用于估算它的年龄。

  越接近地球,我们对我们的测量技能越自信。我们认为,通过追踪太阳系的原初物质(从天空中像天女散花一样落下的陨石)团块内的放射性衰变,就能粗略知道太阳和围绕在太阳周围的其他事物的年龄。1968年降落在墨西哥的艾伦德陨星里的铅同位素的比率表明,其年龄为45.7亿年,推而广之,太阳系并不会比它年长很多。

  这样的放射性测定年代方法在我们测定从地球诞生伊始到现在出现的物质非常有用。聚集在一起的大量放射性原子中,有一部分原子会在一定的时间内衰变,通过测量被封入一块岩石中的特殊原子与其衰变产物的比率,我们能知道一块岩石或一块人工制品存在了多少年。

  对于大多数岩石来说,最好的办法是使用铀铅测年法来测量其年龄。这一测量方法的精确度非常高。加拿大麦克玛斯特大学的地质学家阿兰·迪肯表示:“很多科学家将这一测量法看成年代测定的黄金标准。”

  至于更年轻一点的岩石和史前人类的人造品,其他同位素为其提供了更精确的结果。例如,科学家们使用钾衰变成氩来测定在坦桑尼亚出现的人类最早的工具的年代,测出其首次现身于200万年前。

  为了测量自大约6万年前开始的人类历史中出现的事物,科学家们主要采用碳的同位素碳14作为测量工具。碳14测年法又称放射性同位素(碳素)断代法,该方法由美国芝加哥大学的物理化学家威拉德·利比教授于1947年提出,被人们称喻为“放射性碳素的革命”,利比也因此获得了1960年的诺贝尔化学奖。

  我们都知道,碳是自然界中广泛存在的元素,占地壳重要组成的0.018%;天然碳有三种同位素,即碳12、碳13和碳14,其中只有碳14才具有放射性。碳14在自然界含量极少,它也是碳的最稳定、最重要的同位素,半衰期很长,为5730年;不过,随着岁月的推移,大气中碳14的含量还可能会有轻微的改变(诸如太阳黑子爆炸、火山喷发等),所以碳14的半衰期还要按照具体的年代进行修订(树轮曲线),这个5730年最后算来大概还有正负40年的误差存在。

  由于新陈代谢,地球上生物体吸收或放出二氧化碳的过程不断进行,生物体内的碳14含量也保持不变。但当生物失去新陈代谢作用(比如生物死亡),碳14循环进入生物体内的过程就停止了。这时,留在体内的碳14就只能按照其固有的半衰期5730年的衰变速率逐渐减少。因此,埋藏地下深层的样品,只要测定其碳14与碳12的含量比例,按碳14的放射性衰变公式进行计算,校订之后便可推出待测物品的存在年代。

  这个方法适应于考古学和第四纪地质研究,常用样品为木炭、泥炭、木材、贝壳、骨骼、纸张、皮革、衣服以及某些沉积碳酸盐等。但是,用碳14测年法也只能准确测出五六万年以内的出土文物;对于年代更久远的出土文物,如生活在50万年以前的周口店北京猿人,实际上利用碳14测年法是无法测定出来的。

  不管如何,有一点很确定,一旦我们死去,埋藏在六尺之下,我们的尸体会保留我们的时间烙印。

  时间旅行能成为现实吗?

  人们很容易就会认为时间旅行仅仅只是科幻小说,海市蜃楼。尽管早在1895年,英国作家乔治·威尔斯就写下了著名的科幻小说《时间机器》,浓墨重彩地对时间旅行进行了诸多设想。不过,迄今为止,还没有人真正制造出一台能起作用的时间机器。但是,我们也不应对此感到灰心失望,不断涌现出的新的科学发现有望向我们展示我们的未来或者过去。

  时间旅行是广义相对论的基础内核。爱因斯坦的理论预测,时间在重力强的地方行走得更慢,而与地面越接近,人们受到的重力就越大,所以生活在平房内的人比生活在高楼大厦内的人老得更慢。因此,要制造出一台时间机器,人们只需让时间行进速度不同的两个地方连接在一起就行了。

  例如,将地球和与其最接近的黑洞连接起来,黑洞的强重力使得此处的时间流逝得非常慢。也就是说,同时让两个钟表在周一开始滴滴答答作响,当地球上显示的时间是周五时,黑洞上显示的时间可能才是周三呢。因此,如果你能瞬间从地球旅行到与其最接近的黑洞,你就能从周五返回到周三,这样,你就实现了时间旅行。

  但问题是,你能做到这一点吗?从原理上来说是可以的。量子理论告诉我们,时空内可能存在着相互纠缠在一起的“捷径”,这些捷径就是所谓的“虫洞”,虫洞又称爱因斯坦—罗森桥,是宇宙中存在的连接两个不同时空的狭窄隧道。上世纪30年代,爱因斯坦和纳森·罗森在研究引力场方程时提出了假设了虫洞的存在,他们认为,通过虫洞可以做瞬时间的空间转移或者做时间旅行。简单来说,“虫洞”就是连接宇宙遥远区域间的时空细管。通过虫洞,人们有望在星系另一边几光年远的地方现身,也有可能出现在过去或者未来几年内。尽管目前科学家们仍然没有在宇宙中发现虫洞的踪影,但是,名为中微子的“魔鬼粒子”或许已经在进行这样的奇迹了。

  然而,对于我们人类来说,有几个实际问题需要解决。为了使用虫洞进行时间旅行,必须将现在所处的时间和空间以及想要前往的时间和空间进行连接,那可能意味着旅行的一个终点可能会是离地球最近的黑洞那儿。

  即使解决了这个问题,还有其他问题需要解决:你可能需要将量子尺度的虫洞扩大至宏观尺度,并且找到方式让其出口和入口保持打开状态。这可是一个相当大的挑战,因为虫洞的性能并不稳定,即使让一个光子进入虫洞,也会立即导致事件穹界形成,致使虫洞瞬间突然关闭。因此,需要一种带有负能量(其受到的重力为反重力)的奇异物质让洞口保持张开状态。现在,我们并不知道具有这样强大力量的奇异的物质是否存在,但是,我们确实知道,为了制造出一个开口为一米(这一宽度足以让人可以爬过)的通道,必须将银河系内的大部分恒星一年内喷射的总能量用光才行。

  不过,英国《新科学家》网站近日的报道称,德国和希腊物理学家的最新研究表明,虫洞无需借助这种能量为负的奇异物质便可处于张开状态。参与该研究的德国奥登堡大学的伯克哈德·克莱豪斯表示:“你甚至不需要带有负能量的正常物质。实际上,虫洞无需任何物质便可保持张开状态。”这一研究发现意味着,人类可能在将来的某一天在太空中发现虫洞。也许,一个先进程度远超过人类的文明已经借助虫洞构成的星系际地铁系统往返于不同星系之间。此外,我们也可以将虫洞作为进入其他宇宙的入口。

  尽管我们或许能够很容易地发现虫洞,但是,采用这一原理这样制造出来的时间机器也不会将我们带往历史上的重大时刻。如果我们真的在宇宙中发现了一个虫洞,那么,显然,那将是回到过去的时间旅行者能够到达的第一个时刻。所以,如果你想回到过去看看恐龙的模样,那么,你只有一个选择:找到一台大约6500万年前被外星人抛弃在地球上的时间机器。

  不过,我们能使用自己的时间机器做一些有意义的事情。只要我们制造出了一台时间机器,那么,未来的文明将能回来拜访我们。这样,就有可能出现一幕非常有趣的场景:某人能回到过去并且杀死直系祖先从而使他们自己的存在成为不可能。这个所谓的“祖父悖论”是时间旅行最重要的谜团。

  而研究结果表明,量子物理学可以解释这一情况。2011年5月,麻省理工学院的量子物理学家赛思·劳埃德和多伦多大学的物理学家艾弗瑞姆·史坦博格找到了另外一种通过量子力学实现时间旅行的方法,甚至成功进行了实验。他让光子回到过去尝试消灭自己,检验了著名的“祖父悖论”。

  在现实世界中,我们一般说前因后果,先有因再有果,而在量子世界中有种奇怪的现象,对诸如光子、电子等粒子的量子系统的观测可以影响到它过去的状态,人们称之为后选择。量子系统没法区分过去和未来的影响有什么不同,这也就意味着确定结果可以决定之前发生了什么。一些物理学家认为,既然如此,利用量子传输就可以制造出“时间机器”来。

  量子传输也是个著名的奇异现象,处于纠缠态的两个粒子之间存在神奇的相互作用,对其中一个的测量可以瞬时影响另一个,不论相距多远。通过量子传输,可以瞬间传递量子状态。不过由于后选择的存在,从a传到b和从b传到a其实是等价的。所以说,量子传输就等于是一种时间旅行。

  在劳埃德和史坦博格的实验中,他们没用两个光子,而是用一个光子的偏振和方向作为纠缠的双方,偏振代表“现在”,方向代表“过去”,并给光子一把“量子枪”(一个波片,这个波片可以改变光子的偏振,或者成功或者失败)来干掉过去的自己。实验结果很有趣,每次量子传输成功,“枪”都没能开火,而每次传输失败,“枪”都开火了。用“祖父谬论”的例子来说,就是当刺杀祖父失败,才能成功穿越时空。

  这是剑桥大学的宇宙学家史蒂芬·霍金称为时序保护的一个例子。时序保护猜想是由霍金提出的关于时间旅行的猜想,该猜想认为,自然定律不允许任何除亚微观尺度外的时间旅行。根据广义相对论,当时空扭曲达到一定程度的时候,不同的时空区域会连接起来,形成一条“闭合类时曲线”,曲线上的旅行者就可以重复访问时空中一个点。但是,霍金在一个1992年的文件中说:“似乎有一个时序保护机制,防止闭合类时曲线的生成,从历史学家手上保护了宇宙的安全。”不幸的是,在辛勤工作多年后,他仍然未能证明这一原理。

  而据英国《每日邮报》网站报道,美国马里兰大学的伊格·斯莫亚尼诺夫和洪玉珠(音译)在实验室中模拟了137亿年前宇宙大爆炸的情景,结果证明,时空旅行可能是无法实现的。这项实验模拟的是大爆炸发生时光线和时间的流动情形,而并非大爆炸本身。

  在实验中,研究人员使用了一种由丙烯酸和黄金构成的新型合成材料,并采用一种独特的方式让光线发生偏折。当一束激光射向这种合成材料时,它会激发其表面的等离子体激元,它们只会沿着一个方向传播。这种运动模式和大爆炸发生时大质量粒子的运动模式是相似的。

  起初,研究人员们认为他们可以创造出时空旅行的条件,只要设计一种合成材料,使光线沿环形轨道运行,这在数学上等价于粒子的时空旅行,随后将等离子体激元放入这种环形轨道,它便会被带到最初的出发位置。但实验结果显示的情况似乎要比预想的复杂得多。按照计划用于和材料容器中的粒子发生反应的特定波长的光并不能在这一环形轨道上运行。用斯莫亚尼诺夫的话说就是:“看起来在这一模型中时间旅行是无法实现的。”

  不过,研究小组也承认,这一结论对于回答“时空旅行是否可行”这一问题仍然不是全面的结论。

  因为制造虫洞时间机器仍然是一个巨大的挑战,物理学法则似乎注定要维持我们惯常理解的因果关系。然而,禁止时间旅行的定律又超出了当今数学的范畴。如今,由于没有物理定律可以否定时间机器的存在,物理学家们不得不慎之又慎地对待时间机器存在的可能性。时间旅行奇迹的大门仍然顽固地为人们打开着,期待着有人进去并有所斩获。

  时间会结束吗?

  时间会终结吗?时间终结是一个令人不安的预言,甚至比宇宙终结还要令人恐惧,因为,在很多与宇宙终结命运有关的场景中,都存在着一种让人可以略感安慰的可能性,那就是,新宇宙可能会从旧宇宙的废墟中诞生。

  但是,如果时间本身都终结的话,那么,我们的确就没有逃出生天的办法了。没有新时间让新事物开始,一切将到此为止。

  最近几年,宇宙学家们一直在试图面对这个最终的落幕。对于他们来说,时间终结或许并非那么令人害怕,因为他们已经习惯了爱因斯坦的广义相对论中提出的很多与时间终结有关的情景。爱因斯坦的广义相对论这个重力理论暗示,当一颗恒星崩塌成一个黑洞时,恒星中的物质会被挤压成一个密度无穷大的单点,也就是所谓的奇点,这是一个完全的终止点,此处,所有的质量变成无穷,而且时间终结。

  你或许可以前往最近的黑洞并且跳进黑洞中,看看情况究竟怎样,如果宇宙以这样的“大坍塌”而终结,万事万物都坍塌成宇宙的奇点,那么,我们现在就开始享受吧,既然我们的命运已经注定,那么,我们还不如放开胸怀,毕竟人生得意须尽欢,莫使金樽空对月。

  然而,广义相对论可能并非正确的理论,而且,物理学家们也怀疑,广义相对论提出的完美的奇点会受到量子效应的影响,变得不那么完美。如果情况果真如此,当时空经历黑洞或大坍塌的蹂躏时,可能有足够的空间让时空存活下来并获得重生。

  如果时间能躲避暴力终结,那么,它可能会慢慢行进直到停止。时间最与众不同的一点是,它仅仅指向一个方向,从过去走到未来。这种单一方向源于一个事实:已知的宇宙的密度超高。当所有的质量集中于一处时,这处就处于超级有序的状态,但是,随着空间的扩展,每件事情又开始自由地变得无序。历经数万亿年,当所有的恒星都已经燃烧殆尽甚至黑洞已经蒸发无余时,我们宇宙中的所有物质可能变得平均地扩散出去。万事万物将会变得非常无序。接着,时间将会失去方向。

  然而,在亚原子层面,粒子仍然会相互碰撞,并且,这些随机的碰撞偶尔也会导致某些更有意思的事物出现。从统计学的角度来说,非常罕见地,可能会有一个有序的物质,比如一块玻璃或者一只奇怪的狐猴诞生,随后,它们再次遭遇时间的影响。因此,在这幅图景中,时间会身患重病,苟延残喘,但是不会死去。

  时间真正的命运可能要由多重宇宙来宣判。多重宇宙的理论认为,时间并不会终止。很多宇宙学模型都包含有一个名叫永恒膨胀的膨胀形式,在这种膨胀中,新的宇宙源源不断地被制造出来,每一个宇宙都具有不同的属性。宇宙学家们想去了解有多少种可能性:比如,这些宇宙中的多少宇宙已经开始;多少宇宙有故事可说;什么组成适合生命生存等等。但是,科学家们遇到了意外的困难,因为在一个无限多重的宇宙中,万事万物有无限个版本,我们不可能计算出有多少种可能性。

  为了规避这个问题,有些宇宙学家们开始假设多重宇宙中的大多数宇宙并不存在。通过在时间和空间进行武断的切断,他们能计算出局部出现的宇宙的可能性。这似乎行得通。

  尽管对于宇宙学家们来说,这似乎是个好消息,但对于时间来说,这可是坏消息。美国加州大学伯克利分校的理论学家拉斐尔·布索已经指出,除非真正的多重宇宙在时间内是有限的,这一可能性才能保持前后一致。如果被裁减的多重宇宙能够反映现实情况,那么,布索计算出时间可能只剩下几十亿年。布索表示:“这是一个令人疯狂的夸大其词的想法,但是,在物理学领域,我们不应该仅仅因为一件事情听起来很疯狂,就将其排除开来。”

  当然,时间也有权利要求其他解释,获得一个更好的命运预测。美国麻省理工学院的阿兰·古斯和斯坦福大学的维塔利·凡楚林表示,他们认为,即使在多重宇宙的情形下,时间也不可能终止。

  一个更加平静的终结版本来自于哲学家朱利安·巴伯尔,他和宇宙学家同行已经携手建立了一幅名叫普拉图尼亚(Platonia)的特殊的现实图景。普拉图尼亚中包含了物质所有可能的组成。没有时间的流逝,仅仅是一套无关联的“刹那”,或者“现在”。我们经历时间的幻觉,因为这些“现在”被安排得好像它们通过时间演进而来一样。巴伯尔认为,在普拉图尼亚中的可能性应该是无穷的,因此令人安慰的时间幻觉应该也是无穷的。如果时间确实不存在,那么,它当然就不会终止。

  丹麦物理学家尼耳斯·玻尔曾说:“预测是困难的,尤其是与未来有关的预测,更是难上加难。”因此,或许,在时间的尽头什么也没有毫不令人吃惊。

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。如发现有害或侵权内容,请点击这里 或 拨打24小时举报电话:4000070609 与我们联系。

    猜你喜欢

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章
    喜欢该文的人也喜欢 更多