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本系列文章预计会有20个章节，这套文献将系统讲述物理学本身，这里是第六季第4篇。 --本文较长，预计阅读10min-- 欢迎大家来到Masir的物理学体系专栏~ 这一讲我们开始我们将真正打开混沌学的的大门.. 【正文】
01 电影《星际穿越》有一个这样的情节：主人公库珀在卡刚都亚黑洞的行星上只待了3小时，后来却发现飞船上已经过了23年，时间相差了6万倍。要有这样巨大的时间差，其条件就是行星极度靠近黑洞的同时，黑洞也以最大速度转动。 （这部电影没看过的同学我建议抽空看一下，很有价值很有脑洞~） 按照相对论理论所言，这样行星上的时间就会被极大地拉长。 在爱因斯坦狭义相对论的结论中，有一个“钟慢”现象，就是说运动速度快的物体，它流逝的时间会变慢。 时间膨胀描述了当物体运动时，时间是如何变慢的。你运动得越快，时间就流逝得越慢，当你达到光速时，时间就停止了。 在爱因斯坦的广义相对论提出后，这种“钟慢”现象被称为“引力时间膨胀”。
（广义相对论之引力场方程） 引力时间膨胀是指引力导致的时空扭曲率越大，时间就过得越慢。 通俗地说，你运动得越快，时间就流逝得越慢，当你达到光速时，你越深入引力的井（比如，一颗大质量的恒星就会形成这样一个引力的井），时间的流逝就越慢。
一旦你进入黑洞的视界，时间就停止了。时间流逝的快慢，或者时间膨胀，就是“时间弯曲”效应。如果在黑洞的视界边缘，这种效应看起来时间是停滞的。 在爱因斯坦提出广义相对论仅仅一年后，德国物理学家卡尔·史瓦西找到了爱因斯坦方程的一个最简单的解。他的计算简洁而优美，计算所预言的弯曲几何，很快成为大家所熟悉的史瓦西几何。 史瓦西几何预言，每个星体都存在一个依赖星体质量的临界周长（史瓦西奇点），如果星体的半径小于史瓦西解的这个临界周长，星体内部就会坍缩成被称为黑洞的天体。 史瓦西解不仅描述了空间的曲率，而且还描述了黑洞附近的时间卷曲，即由黑洞的强大引力产生的引力时间膨胀。黑洞是弯曲的时空区域。 由于黑洞有更强烈的弯曲空间，表面的时间流无限地膨胀，时间根本不流，冻结了。 用现代语言来说，史瓦西奇点就是临界周长，也被称为视界，就是黑洞的地平线。具有临界周长的星体表面正好处在黑洞的视界：星体以它强大的引力产生一个包围它自身的黑洞视界。 广义相对论告诉我们，视界只是一个想象出来的表面，黑洞由于引力巨大，使光也不能逃脱。如果一位宇航员运动到黑洞的视界边上，他的时间看起来将是停滞的。 1973年，英国剑桥大学著名物理学家霍金考察黑洞附近的量子效应，利用热力学第二定律发现黑洞会像天体一样发出辐射，其辐射的温度和黑洞质量成反比。 这样，黑洞就会因为辐射而慢慢变小，而温度却越变越高，最后以爆炸而告终。所以，黑洞可以辐射的现象也被称为“霍金辐射”。 这一发现在统一20世纪物理学的两大基础理论——广义相对论和量子理论方面走出了重要一步。 霍金的贡献是在经典物理框架里，证明了黑洞和大爆炸奇点的不可避免性，黑洞越变越大；但在量子物理框架里，他指出黑洞因辐射而越变越小，大爆炸的奇点不断被量子效应抹平，整个宇宙空间正是起始于此。 1988年，霍金出版科普著作《时间简史》，主要探讨了宇宙的起源和归宿，时间有没有开端，空间有没有边界。 02
爱因斯坦的相对论不否定时空穿越——质量造成两处时空弯曲，若交会于一点，就生出一条“虫洞”，我们可以由之穿越到七千万年前的仙女座星云。 时空穿越不是不可能，但“虫洞”只是假想，前提是广义相对论完全正确。 时空可以被折叠和扭曲，但需要大量的物质或能量才能造成这样显著的时空扭曲。然而，在理论上这样的扭曲是可能存在的，只能说可能。 在极端案例，比如虫洞的情况下，两个时空区域之间建立起一个“捷径通道”。 在影片《星际穿越》中，勇敢的探险家们利用土星轨道附近的一个虫洞进入另一个行星系统。 正如影片所描述的那样，虫洞弯曲了空间，让超远距离旅行可以在瞬间完成。形象地说，虫洞弯曲空间就像将一张纸折叠，缩短纸的两个远点之间的距离。 通往遥远时空的通道真的存在吗？ 最新研究显示，银河系中心可能存在超级虫洞，其大小和稳定性足以允许一艘飞船从中穿过。 虫洞是理论物理学中认为连接遥远的两个宇宙时空区域的通道。 爱因斯坦的理论认为，或许可以通过一条时空通道，回到时间上更早的空间上的起始点，但这种可能性让物理学家和哲学家们困惑不已，因为这似乎会把原因和结果完全颠倒，像经典的“祖父悖论”。
需要强调的是，专家们指出虫洞并不存在，至少目前未发现。 需要说明的是，根据2016年最新公布的研究成果，时间虽然有方向性，但宇宙却是各向同性的。在宇宙学中有一个基本假说，即“哥白尼原则”，该原则认为，从大尺度看，宇宙是没有特定方向的，而且无论你朝哪里看，看到的宇宙基本都是相同的。（之前我们有一期讲过） 英国伦敦大学和帝国理工学院的宇宙学家们通过对宇宙微波背景辐射的研究，验证了“哥白尼原则”，即宇宙是各向同性的，从大尺度看，宇宙在各个方向上是完全相同的。 热力学第二定律为我们提供了一个宏观视角，这一定律由于极其深刻的思想内涵已被广泛地运用到哲学、人文、社会科学等各个领域。 热力学第二定律对人类的世界观也产生了影响，其中也包含了独特而深邃的时空观。 在牛顿力学里，过去、现在、未来的任何时刻都是一样的。因此，力学没有时间性，“演化”没有太深的意义。 热力学就不同了，这里，熵把每个时刻加以区别，宇宙是真正地在演化。谈到不可逆时间，是与我们的头脑如何理解时间有关，而不是客观流逝。 在应用一个物理定律时，除这个定律以外，我们还得输入一些数字，代表初始条件或者边界条件，例如宇宙中所有粒子的位置和速度。 许多物理学家认为，热力学的时间之箭只是跟这些初始条件有关，而不是物理定律本身的一部分。 宇宙最初很小、很密，处于高度组织、低熵状态；于是，时间的流逝就一定和熵的增大、混乱的增大对应，而宇宙一直处于膨胀，能量不断消耗成一片废热，即所谓“宇宙热寂”的过程。 霍金想把初始条件解释成宇宙论本身的结果。他的办法是把现今纯理论的对称时间宇宙学理论推到尽头，然后说边界条件就是没有边界条件。 这样一来，就不会出现不守规矩的奇点，空间、时间也不会有“边缘”，宇宙将是独立自主的，犹如一个球面。 对支持可逆时间的人来说，热力学最大的缺点是它只牵涉世界的皮毛，不像相对论和牛顿力学那样能跟“基层的”、看不见的微观世界打交道。 但是，玻尔兹曼却从原子、分子的行为中，重新发现了时间之箭。玻尔兹曼震惊了当时的物理学家，他把熵和概率连在一起，成为世上第一个给一项基本物理定律一个统计性解释的人。 例如：冰是个低熵状态，概率远小于水存在于液态的概率，液态是随机性更大的高熵状态。表示这个关系的严密数学公式，爱因斯坦称之为“玻尔兹曼原则”。 乍看上去，热力学第二定律和19世纪惊动全世界的另一发现——达尔文的进化论相冲突。 经典力学把宇宙看成一个不折不扣的机器，热力学似乎说这机器步步走向绝对的混乱。可是，达尔文证明的是，简单的生物逐渐演化成复杂的生物，生命随时间越来越有组织，而不是越来越乱。 天上飞的、水里游的、地上爬的，如此丰富多彩，它们的演化似乎跟主张世界越来越乱的理论不能相容。事实上，这里并不存在矛盾。这是因为热力学第二定律里面藏着一套妙计，它能使创造性的演化发生，而不只是纯破坏性的演化。 早在1878年，玻尔兹曼已看到了端倪，不过正式发展要等到近年来对第二定律的重新评估以后。 新评估证明热力学第二定律并不意味着单调退化到无序，证明宇宙反过来可以利用热力学来创造，进化和发展。 以科学家普里高津为首的布鲁塞尔自由大学的一群研究者，创造了一套20世纪的热力学。他们的论点和通常对热力学第二定律的理解不同，认为热力学第二定律并不等于千篇一律地朝着混乱一直消沉，而是存在“自组织”这个新的科学法则。 在所谓宇宙热寂退化的过程中，我们可以找到许多自动产生秩序的出色例子。 咖啡里面加牛奶，最后状态固然是那个常见的灰色浑汤，但在达到那个状态以前，白牛奶在黑咖啡里演绎了多少瞬息万变的漩涡花样和结构啊！ 然而，即使我们承认热力学第二定律的时间之箭意义深奥，根基牢固，不可能是幻觉，我们的主要问题仍旧没有得到解答。 我们如何能使这个不可逆时间，和用“无时间性力学”描述的微观世界和谐一致？这个谜，玻尔兹曼只解答了一部分。 真正的答案可能从正在萌芽的一门新学科里得到，这门新的学科就是混沌动力学。 从此代表混沌学的蝴蝶效应在此诞生... 总结： 我认为，人类在发展的过程中有两种认知手段，第一种靠见识，也就是见多识广，也就是见到了，才能想到；第二种靠推导，就是你根本没看到，而是通过某种工具推导出来了，虽然我们没见过，但是可以通过想象来增长见识。 我们发现，其实牛顿是第一种，他是通过已有的现象来认知世界，总结经验，而爱因斯坦是第二种，他是通过思想实验来验证自己的理论。 真有意思，如果没有广义相对论的我们还无法认知虫洞，这种脑洞的存在，也无法知道原来时间，并不是每个人都一样。 你看，我们的卫星定位不就用了广义相对论的原理吗，由于高度与速度的问题导致每个固定时间都要重新校正时间。 不过话说回来，有些事情，我们可以预测，当然，有些事情我们无法预测。简单点说，这个世界真的没有那么简单，人类所掌握的知识，0.1%都不到... 好，今天就到这里~ Masir 2022/06/23 祝 愉快~ 参考文献 *《时空简史》 |
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