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第12章 11.比光更快

不可思議的物理 加来道雄 12560 2018-03-20
在《星球大戰》中,當“千年隼”號(Miltermium Falcon)載著我們的主人公天行者盧克和漢·索羅(Han Solo)從荒涼的行星塔圖因(Tatooine)升空的時候,與一隊圍繞著該行星的兇惡的帝國戰列規相遇。帝國的戰列艦用激光炮向我們主人公的飛船射出了激烈的火力網,逐漸突破了它的力場。 “千年隼”的火力不及對方。在這藐視一切的激光火力壓迫下,漢·索羅吼著說,他們唯一的希望是跳入“超空間”(hyperspace)裡。在時間的小缺口上,超空間發動機活躍起來。他們周圍的所有星星突然朝著顯示屏的中心聚合,拉出筆直、眩目的光線。一個洞口開啟了,“千年隼”號飛了進去,到達了超空間,獲得了自由。

這是科學幻想?毫無疑問。但這有可能是基於科學事實嗎?或許。超光速旅行一直是科幻小說的主要內容之一,但近來物理學家們已經對於這一可能性給予了嚴肅的思考。 根據愛因斯坦的說法,光速是宇宙中的終極速度極限。哪怕是我們最強大的核粒子加速器——能夠製造出只有在爆炸的恆星中心或者宇宙大爆炸中才存在的能量,卻不能將亞原子粒子以超光速的速度射出。顯然,光速是宇宙中的終極交警。如果的確如此,那麼我們任何到達遠方星系的希望似乎都是虛幻的。 或者,也許不是…… 1902年,在阿爾伯特·愛因斯坦尚年輕時,人們還很難想像他今後會成為繼艾薩克·牛頓之後最偉大的物理學家。事實上,那一年標誌著他人生的最低點。作為一個博士新生,他所申請的所有大學都拒絕為他提供教職(他後來發現自己的教授海因里奇·韋伯[Heinrich Weber]為他寫了非常可怕的推薦信,或許是為了報復愛因斯坦缺了他那麼多堂課)。並且,愛因斯坦的母親激烈反對他的女友米列娃·馬里奇(Mileva Marie),後者當時已經懷了他的孩子。他們的第一個女兒列瑟爾(Lieserl)將成為私生女。年輕的愛因斯坦連打零工也失敗了。就連地位低下的教小孩子的工作也在他被粗暴解僱的時候結束了。在自己情緒低落的信件中,他說考慮著當個推銷員維持生計。他甚至向家人寫道,或許他從未降生會更好些,因為他對自己的家庭是個沉重的負擔,而且在他的人生中沒有任何成功的機會。當他的父親去世時,他由於父親死時認為自己的兒子是個完全的失敗者而感到羞愧難當。

但是,在那一年的晚些時候,愛因斯坦轉了運。一位朋友安排他在瑞士專利局獲得了一份職員的工作。在那個底層職位上,愛因斯坦將帶來現代歷史上最偉大的革命。他很快地分析完自己辦公桌上的專利,隨後花上幾小時思考從兒時起就一直使他不解的物理問題。 他天才的秘密是什麼?或許他天才的線索是他的一種能力:以物理圖像(比如,行進中的火車、加速行走的鐘和拉長的織物)而非純粹數學進行思考。愛因斯坦曾經說過,如果一種理論無法做到連孩子都能懂,那麼這種理論或許就是無用的。就是說,一種理論的精髓必須能用一幅物理圖像表示。因此,許多物理學家迷失在數學的灌木叢中,哪裡也到達不了。但是,愛因斯坦就像他的前人牛頓一樣,為物理圖像所困擾,隨後又被數學所困擾,對牛頓來說,物理圖像就是落下的蘋果,還有月球。使得蘋果落下的力與引導月球位於其軌道之中的是同樣的力嗎?當牛頓判斷答案為“是”,他為宇宙創造了一座數學的建築,突然間揭示了天空中最大的秘密——天體們本身的運動。

阿爾伯特·愛因斯坦在1905年提出了著名的狹義相對論。他理論的中心是一幅連孩子都能理解的物理圖像。他的理論是一個他從16歲起便縈繞心頭的夢的結果。當時他問了一個至關重要的問題:如果超越了光速那麼會發生什麼呢?作為一個年輕人,他知道牛頓力學描述了地球和天空中物體的運動,而麥克斯韋的理論推述了光。這是物理學的兩大支柱。 愛因斯坦的最為天才之處在於,他認識到這兩大支柱是相互矛盾的,其中之一必將坍塌。 根據牛頓的理論,你總是有可能跑贏一道光線,因為光的速度沒有什麼特別之處。這意味著當你在一旁與光賽跑的時候,光線必須保持靜止。但是年輕的愛因斯坦意識到,從來沒有人見過完全靜止的光波——也就是說,如同被冷凍的波一樣。因此,牛頓的理論行不通。

最終,作為一個在蘇黎世學習麥克斯韋理論的大學生,愛因斯坦找到了答案。他發現了某些連麥克斯韋都不知道的事:光速是一個常數,無論你移動得多快。如果你向著一道光線或者以與其相反的方向急速移動,它也仍舊以同樣的速度前進,但是這一特點違背了常識。愛因斯坦找到了他童年時困惑的問題的答案:你永遠都無法與光線賽跑,因為它永遠都會以恆定的速度從你身邊移開,無論你跑得多快。 但是,牛頓力學是一個緊密結合的體系:就如拉動一根鬆垮的細線,要是在這套理論的假設上做最小的改動,整套理論的線團就可能瓦解。在牛頓的理論中,時間的流逝在全宇宙中都是一致的,地球上的1秒鐘與金星或火星上的1秒鐘是完全相同的。同樣,擺放在地球上的米尺也與冥王星上的米尺長度相同。但是,如果無論你的移動速度有多快,光的速度都永遠不變,那麼我們對空間與時間的認識就必須有徹底的改變,時間與空間必須進行深層次的扭曲,以保護光速的恆定不變。

根據愛因斯坦的理論,如果你處於一艘快速行進的火箭宇宙飛船內部,火箭內部時間的流逝與地球上相比將會放慢。根據你移動的速度,時針以不同的頻率跳動。此外,這艘火箭宇宙飛船內部的空間會被壓縮,因此根據速度,米尺的長度會發生變化。而且火箭的質量同樣會增加。如果我們用里遠鏡仔細觀看火箭內部,我們會發現火箭裡的時鐘跑得慢了,人們用慢動作移動,而且人們看起來顯得扁平。 其實,如果火箭是以光速移動的,火箭內部的時間看來會停止,火箭將會被壓縮到無物,並且其質量將會無窮大,由於這些觀察結論全都不合常理,愛因斯坦宣布,沒有什麼能夠打破光障(因為物體移動速度越快就變得越重,這意味著能量運動被轉化為了質量。轉化為質量的確切能量總額很容易計算,我們只用了寥寥數行算式就能得出著名的方程:E=mc2)。

自愛因斯坦得出了他著名的方程以來,可以說已有數百萬次實驗證實了他革命性的想法。例如,GPS系統能鎖定你在地球上所處的方位,精確到數英寸,如果不加入基於相對論的修正機制,它就會失效(由於軍方依賴GPS系統,連五角大樓的將軍都不得不聽物理學家介紹關於愛因斯坦相對論的理論)。 GPS的時鐘實際上隨著它們在地面上的快速移動而變化,正如愛因斯坦所預料的那樣。 對這一概念最生動的示例可以在核粒子加速器裡找到,科學家們在核粒子加速器中將粒子加速到接近光速。在瑞士日內瓦市外,CERN的巨大加速器——大型強子對撞機(Large Hkdron Collider,LHC)中,質子被加速到數万億電子伏特,而且它們的移動速度非常接近光速。

對一個火箭科學家而言,光障目前還不太成問題,因為火箭的速度僅僅能夠勉強超過每小時數万英里。但是在一兩個世紀內,當火箭科學家們認真盤算著要將探測器送上最近的恆星(位於離地球4光年以上的位置)時,光障會漸漸成為難題。 數十年來,物理學家們試圖找到愛因斯坦著名論斷中的漏洞。已經有一些漏洞被發現,但它們大多不怎麼有用。例如,如果將一道閃光掠過天空,原則上光束的圖像會超過光速。在幾秒鐘之內,光束的圖像會從地平線上的—點移動到對面的一點,跨過一段可能延伸超過數百光年的距離。但是這無關緊要,因為這一方式無法以超光速傳播任何信息。光束的圖像超越了光速,但是這一圖像不攜帶任何能量或信息。 類似的是,如果我們有一把剪刀,兩片刀刃交叉的那一點離結合點越遠就移動得越快,如果我們想像剪刀有1光年長,那麼合上兩片刀刃會讓交叉點以超光速移動(同樣地,這也無關緊要,因為交叉點不攜帶任何能量或信息)。

同樣,就如我在第4章中所提到的那樣,EPR實驗使我們能夠以超光速發送信息。 (我們可以回憶起,在這個實驗中,兩個電子共振,隨後它們被加速向兩個相反的方向釋放。由於這些電子是相干的,信息可以在它們之間以超光速發送,伹是這一信息是隨機的,因此是無用的。EPR機器因此不能用於將探測器送上遙遠的恆星。) 對於一個物理學家而言,最重大的漏洞來自於愛因斯坦本身,他在1915年創造了廣義相對論,這是一種比狹義相對論更強大的理論。廣義相對論的種子是在愛因斯坦仔細觀察一個兒童旋轉木馬時埋下的。如我們先前所見,在物體向光速接近時,它們的體積會收縮。移動越快,被擠壓得越厲害。但是在一個旋轉圓盤中,外側圓周比中心部分移動得要快(事實上,中心部分幾乎靜止)。這意味著一把置於圓盤邊緣的尺桿一定會縮短,而一把置於圓盤中心的尺桿幾乎保持不變,因此旋轉木馬的表面不再是平坦的了,而是弧形的。因此,加速具有彎曲旋轉木馬上的空間與時間的作用。

在廣義相對論中,時空是一塊可以伸展和收縮的織物。在特定情況下,這塊織物可能會伸展得比光速更快。比如,想想大爆炸,137億年前宇宙從一次大爆炸中誕生,我們可以計算出,最初宇宙以超光速擴張(這一活動並不違反狹義相對論,因為是空的空間——星體之間的空間——在擴張,而不是星體們本身,擴張的空間並不攜帶任何信息)。 重點在於,狹義相對論只適用於局部區域,即在你附近的區域內。在局部臨近區域(例如太陽系)內,狹義相對論仍舊適用。但在涵蓋一切的範圍內(例如,包括我們宇宙在內的宇宙規模上),我們必須改用廣義相對論。在廣義相對論中,時空變成了一張織物,並且這塊織物可以拉伸得比光更快。它還允許“空間中的洞”存在,從洞中可以走捷徑穿越時間和空間。

鑑於這些限制,或許以超光速移動的辦法是以廣義相對論為依據來行動。有兩種途徑或許能做到這點: ,那是一件連接牛津郊外和奇妙世界的魔法裝置。蟲洞是能夠連接兩個宇宙的裝置。在我們上小學的時候,我們得知兩點之間直線距離最短。但這不一定是正確的,因為,如果我們將一張紙捲起、直到兩點相互接觸,那麼我們就能看到,兩點之間最短的距離其實是一個蟲洞。 正如華盛頓大學(Washington University)的物理學家馬特·維沙(Matt Visser)所說的那樣:“相對論學術界開始考慮怎樣能將(warp engine)或者蟲洞之類的事物從科幻世界帶入現實。” 大不列顛皇家天文學家馬丁·瑞斯爵士甚至說:“蟲洞、額外的維度和量子計算機打開了能夠將我們的整個宇宙最終完全轉變為'活生生的宇宙'的思維方案。” 延伸空間的最佳例子是阿庫別瑞引擎(Akubierre Drive),由物理學家(Migual Alcubierre)米圭·阿庫別瑞於1994年提出,使用了愛因斯坦的引力理論。它與《星艦迷航》中的推進系統很相似。這種恆星飛船的船員坐在一個氣泡內(叫做“曲速泡”),在氣泡中,所有一切似乎都很正常,甚至當宇宙飛船打破光障的時候也是。事實上,飛行員會認為自己是靜止不動的。然而,在曲速泡之外,當曲速泡前的空間被壓縮,會發生極嚴重的時空扭曲。時間不會膨脹,因此曲速泡內的時間將會正常流逝。 阿庫別瑞承認《星艦迷航》或許為他獲得這個解起了一些作用。 “《星艦迷航》中的人們一直談論曲速引擎,一種使空間變形的概念。”他說,“我們已經擁有了一種關於空間怎樣能夠或者不能夠被扭曲的理論,那就是廣義相對論。我認為應當會有一種方法能使用這些概念來解釋曲速引擎如何運轉。”這或許是電視劇首次幫助啟發了對愛因斯坦方程的一個解。 阿庫別瑞推測,他提出的恆星飛船所作的旅行會與《星球大戰》中“千年隼”所經歷的相似。 “我的猜測是,他們可能會見到與那十分相像的場面,在飛船前面,星星們變成了長長的線條。在飛船後面,他們什麼都看不到——只有黑暗——因為星光無法移動得足夠快速以趕上他們。”他說。 阿庫別瑞引擎的關鍵在於將宇宙飛船向超光速的速度推進所需的能量。通常,物理學家們首先採用正能量來推進一艘恆星飛船,它的移動速度永遠慢於光速。為了比用這一方式移動得更快,以能夠超越光速,就必須更換燃料。一次簡單的計算顯示,我們需要“負質量”或者“負能量”,這或許是宇宙中最吸引人的存在——如果它們的確存在的話。傳統上,物理學家把負能量和負質量當作科幻虛構事物,不予重視。但是我們現在能看到,對於超光速而言,它們是不可替代的,而且它們也許確實存在。 科學家們在自然界中尋找負物質,但迄今為止沒有尋獲(反物質和負物質是兩種完全不同的事物。前者存在,並且具有正能量,但具有相反的電荷。負物質的存在尚未被證明)。負物質會是相當古怪的,因為它輕如無物。事實上,它會飄浮在空中。如果負物質在早期的宇宙中存在,它應該已經飄移到了外層空間。不同於受行星引力吸引、會猛烈撞擊行星的流星,負物質會避開行星。它會受到如恆星和行星等大型天體排斥,而非吸引。因此,儘管負物質可能存在,但我們只能指望在外層空間中而絕不是在地球上尋獲它。 在外層空間中尋找負物質的方案之一是使用一種名叫“愛因斯坦透鏡”(Einstein lenses)的現象。按照廣義相對論,當光在一顆恆星或一個星系附近移動時,它的路徑會被對方的引力彎曲。在1912年(甚至早於愛因斯坦將廣義相對論發展完全),愛因斯坦預測一個星系或許能起到一副望遠鏡的鏡片的作用,來自在某個附近星系中移動的某個遙遠物體的光會在其穿越銀河係時聚集於一點,就像穿越一面透鏡,在最終到達地球的時候形成一個典型的環形。這些現象叫做“愛因斯坦環”(Einstein ring)。在1979年,首面愛因斯坦透鏡在外層空間中被觀察到。自那以後,愛因斯坦透鏡成了天文學家們不可缺少的工具(比如,在外層空間中確定“暗物質”[dark matter]的位置曾經被認為是不可能的。[暗物質是一種不可見但有重量的神秘物質。它包圍住銀河系,在宇宙中的數量可能十倍於普通的可見物質。]但NASA的科學家們已經成功製作出了暗物質的地圖,因為暗物質會在光從其中穿過的時候彎曲光,和玻璃彎折光的方式一樣。) 因此,使用愛因斯坦透鏡在外層空間中搜尋負物質和蟲洞應當是可能的。它們應該會以獨特的方式彎折光,而這可以用哈勃太空望遠鏡觀察到。迄今為止,愛因斯坦透鏡還沒有在外層空間中發現負物質或者蟲洞的圖像,但是搜索仍在繼續。如果有一天哈勃太空望遠鏡通過愛因斯坦透鏡探測到負物質或者蟲洞的存在,那會在物理學界掀起軒然大波。 負能量與負物質的區別之處在於它的確存在,但數量極少。在1933年,德里克·卡西米爾(Hendrik Casimir)使用量子理論作出了一項古怪的預言。他宣稱,兩塊不帶電荷的平行金屬板會相互吸引,就像魔法一樣。正常情況下,平行金屬板會保持靜止,因此它們沒有任何淨電荷。但是,在兩塊平行金屬板之間的真空不是一無所有,而是充滿了“虛粒子”(virtual particle),時有時無。 在短暫的時間內,電子-正電子會突然爆發為無物,對消並重新消失在真空之中。具有諷刺意味的是,曾經被認為空無一物的真空現在被證明有量子活動活躍於其中。正常情況下,物質和反物質的微小爆炸似乎會違反能量守恆,但是,由於測不准原理,這些微小的違反情況極度短暫,因此平均來看能量仍舊是守恆的。 卡西米爾發現,虛粒子團會在真空中製造出淨壓力。兩塊平行金屬板之間的空間是有限的,因此壓力很低。但是金屬板外的壓力是不受約束的、較大的,因此會產生將兩塊金屬板推向一起的淨壓力。 通常,零能量狀態在這兩塊金屬板處於靜止並且遠離對方的時候發生。但是,隨著金屬板相互靠近,就可以從中獲取能量。如此一來,由於動能已經被從金屬板中抽離,兩塊金屬板的能量低於零。 這一負能量其實是於1948年在實驗室裡測得的,所獲的結果證實了卡西米爾的預測。這樣,負能量和卡西米爾效應就不再是科學幻想,而是確定無疑的事實。然而,問題在於卡西米爾效應相當微小,需要在實驗室中使用精巧、先進的測量設備探測這種能量(通常,卡西米爾能量與金屬板之間相隔距離的4次方成反比。這表示,兩塊金屬板相距越近,能置越大)。卡西米爾能量於1996年由史蒂文·拉蒙諾(Steven Lamoreaux)在洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)精確測得,引力為一隻媽蟻的三萬分之一重。 自阿庫別瑞首先提出他的理論以來,物理學家們已經發現了大量奇特的性質。恆星飛船內的人們會有原因地與外界斷絕聯繫。這意味著你無法簡單隨意地按下按鈕,並且以超光速移動,你無法穿透氣泡與外界交流。必須有一條預先存在的“高速公路”穿越空間與時間,就像根據常規時刻表通過的—組火車。在這個意義上,恆星飛船不會是一艘能隨意轉變方向和速度的普通飛船。恆星飛船事實上會像是一節客車,飄浮於預先存在的壓縮空間的“波浪”之上,沿一條彎曲的時空走廊航行。阿庫別瑞推測:“我們在這條路上需要一系列異常物質發生器,它就像一條高速公路,以一種同步方式為你控制空間。” 事實上,對愛因斯坦方程更為古怪的解也能找到。愛因斯坦的方程稱,如果給出一定量的質量或能量,就能計算出這一質量或者能量會產生的時空彎曲(與向池塘重新投入石塊,能夠計算出石塊造成的漣漪的方式相同)。但是,方程式也可以倒推回去。你可以從一個混亂的時空入手,比如《陰陽魔界》(The Twilight Zone)中的那種(比如,在這樣的宇宙中,你可以打開—扇門,發現自己身處月球。你可以繞著一棵樹奔跑,發現自己回到了過去,而你的心臟在你的身體右側)。隨後,你可以計算出與這一特殊時空相聯繫的物質和能量分佈(這意味著,如果給出池塘表面波紋的整體情況,就可以倒推計算出產生這些波紋所需的石頭的分佈)。其實,阿庫別瑞就是用這種方式得出了他的方程。他從一個保持超光速前進的時空入手,隨後再倒推回去,並且計算出了產生這一時空所需的能量。 除去拉伸空間之外,打破光障的第二種可行方法是通過蟲洞——連接兩個宇宙的通道,將空間撕裂。在小說中,對蟲洞的首次提及來自於牛津的數學家查爾斯·道奇森(Charles Dodgson),他以筆名劉易斯·卡羅爾(Lewis Carroll)寫下了(Through the Looking Glass)。愛麗絲的鏡子是一個蟲洞,連接了牛津的郊外與仙境中的魔法世界。愛麗絲將手穿過鏡子,被立即從一個宇宙傳送到了另一個宇宙。數學家們把它們稱為“多連通空間”。 物理學上蟲洞的概念可以追溯到1916年,在愛因斯坦公佈他史詩般的相對論之後一年。物理學家卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)——他後來在德國軍隊中服役——成功解開了愛因斯坦的方程,精確地得出一顆單一點狀恆星的狀態。在遠離這顆恆星的位置,其引力場與普通恆星的引力場非常相似,並且,事實上愛因斯坦使用了史瓦西的解計算出了一顆恆星周圍光的偏折。史瓦西的解對天文學產生了立杆見影的、深遠的影響,甚至今天它也仍是愛因斯坦方程最著名的解之一。一代又一代的物理學家使用這一點狀恆星周圍的引力場作為有限定直徑的真實恆星引力場的近似值。 但是,如果認真對待這一點狀恆星的解,那麼會發現潛伏在其中心的是一個巨大的點狀物體,它已經震撼著物理學家,使他們為之驚奇長達近一個世紀——那就是黑洞。史瓦西對一顆點狀恆星的引力的解就像是特洛伊木馬。從外表看來,它像是一件來自天堂的禮物,但內部卻潛伏著各種魔鬼和幽靈。但是,如果接受了其中之一就必須也接受另一個。史瓦西的解證明,當向這顆點狀恆星靠近的時候會發生古怪的事情。圍繞著這顆恆星的是一個隱形球面(稱為“視界”[event horizon]),那是一個不可返回點。每一件東西都是只進不出,就像個捕蟑盒。一旦穿越了視界就永遠不可能回來(一旦處於視界內部就必須以超光速移動才能逃回到視界外面,而那是不可能的)。 當你向視界靠近,你身上的原子會被潮汐力拉伸,雙腳感受到的引力會比頭部感受到的引力大很多,因此你會被“拉成意大利麵條”,隨後被撕裂。同樣的,你身體的原子也會被引力拉伸和撕開。 在一個從外部看著你靠近視界的人看來,你會像是在時間的流逝中放慢了動作。事實上,一旦觸碰到視界,時間看起來似乎就像停止了一樣! 再者,當你穿越視界,你會看到已經在黑洞周圍被束縛和流轉了數十億年的光。你就像在看一部動畫片,詳細敘述黑洞的歷史,追溯到它的最初。 最終,如果你直接掉入黑洞,在它的另一頭會是另一個宇宙。這被稱為愛因斯坦-羅森橋(Einstein-Rosen Bridge),由愛因斯坦在1935年首先提出:它現在被稱作“蟲洞”。 愛因斯坦和其他物理學家相信恆星永遠都無法進化成這樣一個怪物。實際上,愛因斯坦在1939年發表了一篇論文,證明一團流動的氣體和塵埃永遠無法濃縮成一個黑洞。因此,儘管在黑洞中心藏有蟲洞,但他有把握,這樣一個奇怪的物體不可能自然形成。事實上,天文物理學家亞瑟·愛丁頓(Arthur Eddington)曾經說過,應該是有“一條自然定律阻止恆星表現得如此荒誕離奇”。換言之,黑洞其實是愛因斯坦方程一個合理的解,但是沒有已知的機制可以通過自然方式形成一個黑洞。 隨著J.羅伯特·奧本海默和他的學生哈特蘭·施奈德(Hirtland Snyder)在同一年寫作、發表的一篇論文,這一切都發生了改變。這篇論文證明黑洞的確可以自然形成。他們假設一顆死亡中的恆星已經耗盡了它的核燃料,並且隨後在引力下坍縮,這樣它就會在自身重量之下聚爆。如果引力能將恆星壓縮入它的視界之內,那麼就沒有什麼科學上已知的事物可以阻止引力將恆星擠壓成一個點狀粒子——黑洞(這一聚爆方式或許給了奧本海默數年後製造長崎原子彈的思路,那枚原子彈依賴一個钚球體的聚爆)。 隨後的突破發生在1963年,新西蘭數學家羅伊·克爾(Roy Kerr)研究了也許是關於黑洞的最實際的例子。物體在收縮時會旋轉得更快,就像滑冰者將手臂向身體收攏時會旋轉得更快一樣。結果,黑洞應該會以極快的速度旋轉。 克爾發現旋轉的黑洞不會像史瓦西假設的那樣坍縮成點狀的恆星,而是會坍縮成一個旋轉的圓環。任何不幸碰撞到圓環的人都會被毀滅,但掉進圓環內的人則不會死去,而是實際上穿越過去。但是,他(她)不會在圓環的另一端盤旋轉圈,而是穿過愛因斯坦-羅森橋,在另一個宇宙中盤旋轉動。換言之,旋轉的黑洞是愛麗絲的鏡子的邊緣。 如果他(她)再次在旋轉的黑洞周圍移動,他(她)會進入另一個宇宙。事實上,重複進入旋轉圓環的行為會將一個人帶入不同的平行宇宙中,就像是按下升降機的“向上”按鈕。原則上,宇宙的數量可以是無限的,一個摞在另一個的頂上。 “穿過這個魔環,然後——啪啪啪!——你身處一個全然不同的宇宙中了,那裡的半徑和質量都是負的。”克爾寫道。 不過,有一個嚴重的不利因素。黑洞是“不可穿越的蟲洞”的實例,即:穿過視界是一次單程旅行。 —旦穿過了視界和克爾環就無法退過克爾環,退出視界。 但是,1988年,加州理工學院的基普·索恩(Kip Thorne)和同事發現了一個可穿越蟲洞的例子,即一個可以自由出入的蟲洞。事實上,有了這個解,穿過蟲洞並不比坐飛機更糟糕。 通常,引力會擠垮蟲洞的咽喉狀部位,殺死試圖到達蟲洞另一頭的宇航員。這是不可能以超光速穿越蟲洞的原因之一。但是相信負能量或負質量的推斥力能夠讓咽喉狀部位敞開足夠的時間,讓宇航員暢行無阻。換言之,負質量或負能量對於阿庫別瑞引擎和蟲洞的解都是必不可少的。 在過去的數年中,已有數量驚人、允許蟲洞存在的愛因斯坦方程精確解被發現。但是,蟲洞確實存在嗎?或者它們僅僅是一種數學上的想像?蟲洞面臨的重要問題有以下幾個。 首先,為了創造穿越蟲洞所必須的劇烈時空扭曲,需要數量巨大的正物質和負物質,約等同於一顆巨大恒星或者一個黑洞。華盛頓大學的物理學家馬修·維瑟(Matthew Visser)估計,打開一個1米寬的蟲洞所需的負能量抵得上木星的質量,不同之處是這能量必須是負的。他說:“你需要大約一個負木星質量的能量完成這一任務。僅僅是操縱一個正木星質量的能量就已經是天方夜譚了,遠遠超越了我們在可預見的未來里所能達到的能力。” 加州理工學院的基普·索恩推測道:“事實會證明物理學定律允許人體大小的蟲洞裡有足夠的異常物質保持蟲洞開啟。但是,事實也會證明創造蟲洞和保持它們敞開的科技遠遠超過我們人類文明的能力,無法想像。” 其次,我們不知道這些蟲洞能有多穩定。這些蟲洞產生的射線或許會殺死任何進入其中的人。或者,蟲洞可能根本不穩定,會在剛有人進入時就關閉。 第三,落入黑洞的光線會發生,即:隨著它們靠近視界,它們會獲得越來越大的能量。事實上,在視界自身的位置上,光會發生技術性的無限藍移,因此這一下陷中的能量發出的輻射可能殺死一架火箭中所有的人。 讓我們更細緻地探討這些問題。問題之一是聚集足夠的能量撕裂時間和空間這塊織物。做到這點最簡便的方法是將一個物體壓縮到它小於自己的“視界”。以太陽為例,這表示要將它壓縮到直徑約2英里,然後它將坍縮成—個黑洞。 (太陽的引力太弱,不足以將它自然壓縮到直徑2英里,因此我們的太陽將永遠變不成黑洞。原則上,這表示任何事物——甚至是你,如果被充分壓縮,都可以變成黑洞。這意味著將你身體的所有原子壓縮到小於亞原子距離——一項超過現代科學水平的功績。) 更實際的方法是集合一組激光束,向一個精確的點發射強烈的激光。或者建造一台巨大的核粒子加速器,製造兩束原子束,它們隨後會猛烈相撞,釋放出巨大的能量,足以在時空的織物上撕開一道小口子。 我們可以計算在時空中製造不穩定所需要的能量:大約等同於普朗克能量,或者說1020億電子伏特。這真是無法想像的巨大數宇,比當今最強大的機器——位於瑞士日內瓦郊外的大型強子對撞機(LHC)所能獲取的能量還要多1000萬億倍。 LHC能夠將質子在一個大型“環狀物”中搖晃,直至它們的能量達到數万億電子伏特,這是自宇宙大爆炸以後不曾出現過的能量。但就是這一機器中的龐然大物都遠不可能製造出接近普朗克能量的能量。 LHC後的下一台粒子加速器將是國際直線對撞機(International Linear ColMer,ILC)。 ILC不會將亞原子粒子的路徑轉成環形,而是將把它們噴射到—條直線路徑上。在粒子沿這一路徑移動時會被注入能量,直到它們獲得大到難以想像的能量為止。隨後,一束電子將與正電子相撞,製造出巨大的能量爆發。 ILC將長30-40千米,是斯坦福直線加速器(Stanford Linear Accelerator)長度的10倍,是目前最大的直線加速器。如果一切順利,ILC定於在未來10年裡完工。 ILC產生的能量將為0.5-1萬億電子伏特——少於LHC的14萬億電子伏特,但這可能帶有誤導性(在LHC中,質子之間的對撞發生在組成質子的組分——夸克之間。因此涉及夸克的對撞少於14萬億電子伏特。這就是為什麼ILC將產生比LHC所能產生的更大的對撞能量)。同樣,由於電子沒有成分,因此電子和正電子之間相撞的動態更為簡單和徹底。 但現實地說,ILC同樣遠遠不足以在時空中打開一個洞。要做到那一點,你需要一台強大1000萬億倍的加速器。對於我們這種使用死去的植物作為燃料(比如石油和煤)的0型文明而言,這種科技超出了我們所能集合的任何事物。但它對於一個III型文明來說或許會成為可能。 別忘了,一個III型文明在利用能源方面能動用整個星系的資源,消耗比—個II型文明多l00億倍的能量,II型文明的能源消耗是以單單一顆恆星為基礎的。而一個II型文明比一個I型文明消耗的能量多100億倍,I型文明的能量消耗是以一顆行星為基礎的。在100-200年間,我們脆弱的0型文明將達到I型文明的水平。 根據這一假設,我們距離能夠實現普朗克能量還有非常非常遠的距離。許多物理學家認為,在極度微小的距離,即10-53厘米的普朗克距離內,空間不是空無一物或者平靜的,而是變得“滿是泡沫”。它打出微小的氣泡,氣泡不斷地短暫出現,與其他氣泡相撞,隨後消失在真空中。這些在真空中猛然進進出出的氣泡是“虛擬宇宙”,非常類似於突然出現又消失的電子和正電子虛擬粒子。 通常,這一量子時空“泡沫”是我們完全無法看見的。這些氣泡在非常微小的距離內出現,我們無法觀察到它們。但是量子物理學家提出,如果我們將足夠的能量集中在一個點上,直到我們達到普朗克能量,這些氣泡可以變大。屆時我們將看到時空中充滿了小氣泡,每個氣泡都是一個連接到一個“嬰兒宇宙”的蟲洞。 在過去,這些嬰兒宇宙被認為是一種好奇,一種純數學得出的奇怪結果。但是,現在物理學家開始想像我們的宇宙最初可能也是從這樣的嬰兒宇宙開始的。 這樣的想法是十足的想像,但物理學定律給出了可能,將足夠的能量集中到一點上,在空間上打開一個洞,直到我們能接近顯露出的時空泡沫和蟲洞,它們將我們的宇宙和一個嬰兒宇宙相連。 在太空中打出一個洞當然要求我們的科技有重大突破。但是,同樣,它對於一個III型文明而言或許是可能的。比如,在一種叫“尾場桌面型加速器”(Wakeflekl tabletop accelerator)的事物上已經有了很有前景的發展。非比尋常的是,這一核粒子加速器非常小,可以被放置於桌面上,但卻能產生數十億電子伏特的能量。尾波場桌面加速器的工作原理是向帶電荷的粒子發射激光,隨後粒子會藉助激光的能量移動。斯坦福直線加速器中心、英國的盧瑟福·阿普爾頓實驗室(Rutherford Appleton Laboratory)和巴黎高等理工學院(Ecole Polytechnique)完成的實驗證明,使用激光束和等離子體注入能量是可能實現短距離內的巨幅增速的。 但是,另一大突破在2007年實現了,斯坦福直線加速器中心、UCLA和USC的物理學家和科學家證明,一台巨型粒子加速器的能量可以在僅僅1米的距離內加倍。他們從一束電子開始著手,在斯坦福將其射入一個2英里長的管道,達到了420億電子伏特的能量。隨後,這些高能量電子被送入一個“加力燃燒室”中,它由一個僅88厘米長的等離子室構成,在那裡電子獲取額外的420億電子伏特,使它們的能量加倍(等離子室充滿了鋰氣。當電子穿過氣體,它們製造出一種等離子體波,等離子體波製造出尾波。這個尾波轉而流回電子束,並隨後將它向前推,給予它額外的動力)。在這一了不起的成就中,物理學家們將過去每米能夠加速一道電子束的能量紀錄提高到了原來的3000倍。通過對現存的加速器添加這樣的“加力燃料室”,我們原則上幾乎是不付出代價地將它們的能量加了倍。 今天,尾波場桌面加速器的世界紀錄是每米2000億電子伏特。要將這一結果提高到更長的距離面臨著無數的問題(比如在激光功率被注入電子束的時候維持電子束的穩定)。但假設我們能夠維持每米2000億電子伏特的功率水平,這意味著一台能夠實現普朗克能量的加速器必須有10光年長。這完全在III型文明的能力之內。 蟲洞和拉伸空間或許給予了我們打破光障最現實的方法。但這些技術是否穩定還是未知的。如果這些技術穩定的話,要完成它們仍舊必須使用數量巨大的正能量或負能量。 或許一個先進的III型文明已經具備了這項技術。或許還要過數千年我們才能哪怕是思考一下控制和利用這樣規模的能量。由於對在量子水平上控制時空織物的基本定律仍舊存在爭議,因此我把它歸類為“二等不可思議”。
註釋: (《愛面絲奇境漫遊記》的姐妹篇)中,愛麗絲穿過鏡子進入了鏡子那一頭的魔法世界。 ——譯者註
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