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碎碎念:关于多啦A梦(其实那时候大家都是叫叮当猫啊),我印象最深的一集:用时光机找坏蛋。  换一换

都教授消失之谜

作者:coderzheng 发布于:2015-3-29 0:36 Sunday 分类:other  阅读模式

2014年《来自星星的你》这部韩剧大火之后,也让大家对"虫洞"这个概念印象深刻。接下来,我们就来讲讲虫洞。
百度百科上的解释:
虫洞(Wormhole)又称爱因斯坦-罗森桥,也译作蛀孔或蠹孔。是宇宙中可能存在的连接两个不同时空的狭窄隧道。虫洞是1916年由奥地利物理学家路德维希·弗莱姆首次提出的概念,1930年由爱因斯坦及纳森·罗森在研究引力场方程时假设的,认为透过虫洞可以做瞬时的空间转移或者做时间旅行。
由阿尔伯特·爱因斯坦提出该理论。简单地说,“虫洞”就是连接宇宙遥远区域间的时空细管。暗物质维持着虫洞出口的敞开。虫洞可以把平行宇宙和婴儿宇宙连接起来,并提供时间旅行的可能性。[1] 虫洞也可能是连接黑洞和白洞的时空隧道,所以也叫"灰道"。
理论上,虫洞是连结白洞和黑洞的多维空间隧道,就像是大海里面的漩涡,是无处不在但转瞬即逝的。这些时空漩涡是由星体旋转和引力作用共同造成的。就像漩涡能够让局部水面跟水底离得更近一样,能够让两个相对距离很远的局部空间瞬间离得很近。不过有人假想一种奇异物质可以使虫洞保持张开,也有人假设如果存在一种叫做幻影物质(Phantom matter)的奇异物质的话,因为其同时具有正能量和负质量,因此能创造排斥效应以防止虫洞关闭。
最后一段的比喻比较能直观地解释这个概念:首先我们必须将宇宙想象成一个四维的场,正常情况下这个四维的场是平缓前进的。就好像一列笔直往前开的火车,一旦启动就不会倒退。现实生活中,火车可以倒退,但是四维的场由于其中时间维的特殊性(目前尚未发现任何物体比光速更快),因此认为宇宙是不可倒退的四维场。

但是,仍然存在一种可能:就是在外力干扰下,这个四维场发生了扭曲,现在我们来想象一下,一列往前开的火车上的某个人是怎么在某个时间点穿越到另一个时间点上的。火车在飞速地往前开,每个时间点上火车的位置都不同,任意时刻火车的位置和时间点的对应信息组成一个四维场中的元素。随着时间点的连续变化,四维场跟随时间轴一直延伸。这时一股巨大的能量迫使时间轴发生了弯曲,从而使某个四维场不同时间段上的元素发生了重叠。就像一根筷子弯曲之后可以首尾接应。

一旦出现首尾接应的情形,就表示两个四维场中的元素重合了,这就是典型的从现在穿越到未来的场景。
但是虫洞理论不是这样,虫洞理论认为宇宙中存在一种旋转的空间隧道,我们想象火车前进这个四维场中,如果存在另一个四维场(所谓的旋转的空间隧道),这个四维场恰好连接了火车前进这个四维场中的两个片段(某两个静止时刻的四维场元素)。那就是说通过这个隧道,我们就可以完成瞬时移动,在两个时刻间完成穿越。

至于都教授为什么只能片刻停留,也许可以解释为:虫洞虽然连接了两个不同的时空,但是在虫洞中停留的物体会随着虫洞的消失一起消失,就像水面上产生的气泡,虽然气泡中的物体可以从气泡的一端移动到另一端,但是一旦气泡破灭,物体就会重新跌落到宇宙的第N维不确定空间中去。在两个确定的时空中的人看来,他就是消失了。虫洞刚好有这样的特点:不确定轨迹的,不确定时效的。所以都教授可能停留30秒,或者几分钟,或者几天。。。(想想就蛋疼,这得多折腾人呀是不是,千颂伊就不该跟这个人在一起!大家都被导演骗了!)

PS: 关于"宇宙的N维"解释:假设真的存在时空穿越,那么任何借助时空穿越机器的物体都有可能穿越到宇宙空间中的任意一个时间点上,但是真实的情况是:即使穿越成功,他也会遇到一个和自己一样的副本,或者说遇到一个目标时间点上的自己。根据宇宙的时空法则,穿越物体和目标时间点上的物体必然会被区分为不同宇宙空间的物体。这些不同的宇宙空间就是N维名称的由来。
就像《蝴蝶效应》中,反复穿越的尼克屡次想改变历史,每一次改变之后的时空都可以看成是宇宙的一个维度。
现实生活中也存在这样的情况:你去赶公交车,明明车就在你面前,但是你没赶上,只能眼睁睁看它远去等下一班。你有没有想过,你坐上这一趟车和没坐上这一趟车之后发生的事情会完全不同呢?如果你真的从未来穿越回来,并且你故意使"自己"赶上这趟车,这就是典型的另一维的宇宙(相对于没赶上车而言)。

再PS:四维场,就是指的四维空间。下面的内容截取自《从一到无穷大》,这篇文章仅用于引用和传播,并未用于任何商业用途,如有侵权,请联系本人瞬时删除!
第四章 四维世界
一、时间是第四维
关于第四维的概念经常被认为是很神秘、很值得怀疑的。我们这些只有宽度、厚度和高度的生物,怎么竟敢奢谈什么四维空间呢?从我们三维的头脑里能想像出四维的情景吗?一个四维的正方体或四维的球体该是什么样子呢?当我们说的是“想像”一头鼻里喷火、尾上披鳞的巨龙、或一架设有游泳池并在双翼上有两个网球场的超级客机时,实际上只不过是在头脑里描绘这些东西果真突然出现在我们面前时的样子。我们描绘这种图像的背景,仍然是大家所熟悉的、包括一切普通物体——连同我们本身在内的三维空间。如果说这就是“想像”这个词的含义,那我们就想像不了出现在三维空间背景上的四维物体是什么样子了,正如同我们不可能将一个三维物体压进一个平面那样。不过且慢,我们确实 可以在平面上画出三维物体来,因而在某种意义上可以说是将一个三维物体压进了平面。然而,这种压法可不是用水压机或诸如此类的物理力来实现,而是用“几何投影”的方法进行的。 用这两种方法将物体(以马为例)压进平面的差别,可以立即从图24 上看出来。用类比的方法,现在我们可以说,尽管不能把一个四维物体完完全全“压进”三维空间,但我们能够讨论各种四维物体在三维空间中的“投影”。不过要记住,四维物体在三维空间中的投影是立体图形,如同三维物体在平面上的投影是二维图形一样。
为了更好地理解这个问题,让我们先考虑一下,生活在平面

上的二维扁片人是如何领悟三维立方体的概念的。不难想像,作为三维空间的生物,我们有一个优越之处,即可以从二维空间的 上方、即第三个方向上来观察平面上的世界。将立方体“压”进平面的唯一的方法,是用图 25 所示的方法将它“投影”到平面上。旋转这个立方体,可以得到各式各样的投影。观察这些投影,我们那些二维的扁片朋友就多少能对这个叫做“三维立方体”的神秘图形的性质形成某些概念。他们不能“跳出”他们那个面像我们这样看这个立方体。不过仅仅是观看投影,他们也能说出这个东西有八个顶点、十二条边等等。现在请看图 26,你将发现,你和那些只能从平面上捉摸立方体投影的扁片人一样处于困难的境地了。事实上,图中那一家人如此惊愕地研究着的那个古怪复杂的玩艺儿,正是一个四维超正方体在我们这个普通三维空间中的投影 ①。
仔细端详这个形体,你很容易发现,它与图 25 中令扁片人惊讶不止的图形具有相同的特征:普通立方体在平面上的投影是两个正方形,一个套在另一个里面,并且顶点和顶点相连;超正方体

在一般空间中的投影则由两个立方体构成,一个套在另一个里面,顶点也相连。数一数就知道,这个超正方体共有 16 个顶点、 32 条棱和 24 个面。好一个正方体呀,是吧?让我们再来看看四维球体该是什么样的。为此,我们最好还是先看一个较为熟悉的例子,即一个普通圆球在平面上的投影。不妨设想将一个标出陆地和海洋的透明球投射到一堵白墙上(图27 )。在这个投影上,两个半球当然重叠在一起,而且,从投影上看,美国的纽约和中国的北京离得很近。但这只是个表面印象。实

际上,投影上的每一个点都代表球上两个相对的点,而一架从纽约飞到北京的飞机,其投影则先移动到球体投影的边缘,然后再一直退回来。尽管从图上看来,两架飞机的航线相重合,但如果它们“确实”分别在两个半球上飞行,那是不会相撞的。这就是普通球体平面投影的性质。再发挥一下想像力,我们就不难判断出四维超球体的三维投影的形状。正如普通圆球的平面投影是两个相叠(点对点)、只在外面的圆周上连接的圆盘一样,超球体的三维投影一定是两个互相贯穿并且外表面相连接的球体。这种特殊结构,我们早在上一章讨论过了,不过那时是作为与封闭球面相类似的三维封闭空间的例子提出的。因此,这里只需再补充一句:四维球体的三维投影就是上一节讲到的两个沿整个外表皮长在一起的苹果。同样地,用这种类比的方法我们能够解答许多有关四维形体其他性质的问题。不过,无论如何,我们也决不能够在我们这个物理空间内“想像”出第四个独立的方向来。但是,只要再多思考一下,你就会意识到,把第四个方向看得太神秘是毫无必要的。事实上,有一个我们几乎每天都要用的字眼,可以用来表示、并且也的确就是物理世界的第四个独立的方向,这个字眼就是“时间”。时间经常和空间一起被用来描绘我们周围发生的事件。当我们说到宇宙间发生的任何事情时,无论是说在街上与老朋友邂逅,还是说遥远星体的爆炸,一般都不只说出它发生在何处,还要说出发生在何时。因此,除表示空间位置的三个方向要素之外,又增添了一个要素——时间。再进一步考虑考虑,你还会很容易地意识到,所有的实际物体都是四维的:三维属于空间,一维属于时间。你所住的房屋就是在长度上、宽度上、高度上和时间上伸展的。时间的伸展从盖房时算起,到它最后被烧毁,或被某个拆迁公司扒掉,或因年久而坍塌为止。不错,时间这个方向要素与其他三维很不相同。时间间隔是用钟表量度的:嘀嗒声表示秒,口当口当声表示小时;而空间间隔则是用尺子量度的。再说,你能用一把尺子来量度长、宽、高,却不能把这把尺变成一座钟来量度时间;还有,在空间里你能向前、向后、向上走,然后再返回来;而在时间上却只能从过去到将来,是退不回来的。不过,即使有上述区别,我们仍然可以将时间作为物理世界的第四个方向要素,不过,要注意别忘记它与空间不大一样。
在选择时间作为第四维时,采用本章开头所提到的描绘四维形体的方法较为便当。还记得四维形体,比如那个超正方体的投影是多么古怪吧?它居然有 16 个顶点、 32 条棱和 24 个面!难怪图 26 上的那些人会那么瞠目结舌地瞪着这个几何怪物了。不过,从这个新观点出发,一个四维正方体就只是一个存在了一段时间的普通立方体。如果你在 5 月 1 日用 12 根铁丝做成一个立方体,一个月后把它拆掉。那么,这个立方体的每个顶点都应看做沿时间方向有一个月那么长的一条线。你可以在每个顶点上

挂一本小日历,每天翻过一页以表示时间的进程。现在要数出四维形体的棱数就容易了(如图 28)。在它开始存在时有 12 条空间棱,结束时还有这样 12 条 ①。另外又有描述各个顶点存在时间的 8 条“时间棱”。用同样方法可以数出它有 16 个顶点,5 月1 日有8 个空间顶点, 6 月 1 日也有 8 个。用同样方法还能数出面的数目,请读者自己练习数一数。不过要记住,其中有一些 面是这个普通立方体的普通正方形面,而其他的面则是由于原立方体的棱由 5 月 1 日伸展到 6 月 1 日而形成的“半空间半时间”面。这里所讲的有关四维立方体的原则,当然可以应用到任何其他几何体或物体上去,无论它们是活的还是死的。具体地说,你可以把你自己想像成一个四维空间体。这很像一根长长的橡胶棒,由你出生之日延续到你生命结束之时。遗憾的是,在纸上无法画出四维的物体来,所以,我们在图29上用一个二维扁片人为例来表现这种想法。这里,我们所取的时间方向是和扁片人所居住的二维平面垂直的。这幅图只表示出这个扁片人整个生命中一个很短暂的部分,至于整个过程则要用一根长得

多的橡胶棒来表示:以婴儿开始的那一端很细,在很多年里一直变动着,直到死时才有固定不变的形状(因为死人是不动的),然 后开始分解。如果想要更准确些,我们应该说,这个四维棒是由为数众多的一束纤维组成的,每一根纤维是一个单独的原子。在生命过程中,大多数纤维聚在一起成为一群,只有少数在理发剪指甲时离去。因为原子是不灭的,人死后,尸体的分解也应考虑为各纤维 丝向各个方向飞去(构成骨骼的原子纤维除外)。在四维时空几何学的词汇中,这样一根表示每一个单独物质微粒历史的线叫做“世界线” *(时空线)。同样,组成一个物体的一束世界线叫做“世界束”。图30是一个表示太阳、地球和彗星的世界线 ①的天文学例子。如同前面所举的例子一样,我们让时间轴与二维平面(地球轨道平面)垂直。太阳的世界线在图中用与时间轴平行的直线表示,

因为我们认为太阳是不动的 ①。地球绕太阳运动的轨道近似于圆形,它的世界线是一条围绕着太阳世界线的螺旋线。彗星的世界线先靠近太阳的世界线,然后又远离而去。我们看到,从四维时空几何学的角度着眼,宇宙的历史和拓扑图形融洽地结合成一体;要研究单个原子、动物或恒星的运动,都只需考虑一束纠结的世界线就行了。
二、时空当量
要把时间看作和空间的三维多少有些等效的第四维,会碰到一个相当困难的问题。在量度长、宽、高时,我们可以统统用同一 个单位,如英寸、英尺等。但时间既不能用英寸,也不能用英尺来量度,这时必须使用完全不同的单位,如分钟或小时。那么,它们 怎样比较呢?如果面临一个四维正方体,它的三个空间尺寸都是1英尺,那么,应该取多长的时间间隔,才能使四个维相等呢?是1 秒,还是 1 小时,还是一个月? 1 小时比 1 英尺长还是短?乍一看,这个问题似乎毫无意义。不过,深入想一下。你就会 找到一个比较长度和时间间隔的合理办法。你常听人家说,某人的住处“搭公共汽车只需 20 分钟”、某某地方“乘火车 5 小时便 可到达”。这里,我们把距离表示成某种交通工具走过这段距离所需要的时间。
因此,如果大家同意采用某种 标准速度 ,就能用长度单位来表示时间间隔,反之亦然。很清楚,我们选用来作为时空的基本变换因 子的标准速度,必须具备不受人类主观意志和客观物理环境的影响、在各种情况下都保持不变这样一个基本的和普遍的本质。物理学中已知的唯一能满足这种要求的速度是光在真空中的传播速度。尽管人们通常把这种速度叫做“光速”,但不如说是“物质相互作用的传播速度”更恰当些,因为任何物体之间的作用力,无论是电的吸引力还是万有引力,在真空中传播的速度都是相同的。除此之外,我们以后还会看到,光速是一切物质所能具有的速度的上限,没有什么物体能以大于光速的速度在空间运动。
第一次测定光速的尝试是著名的意大利物理学家伽利略(Galileo Galilei)在 17 世纪进行的。他和他的助手在一个黑沉沉的夜晚到了佛罗伦萨 *郊外的旷野,随身带着两盏有遮光板的灯,彼此离开几英里站定。伽利略在某个时刻打开遮光板,让一束光向助手的方向射去(图31a )。助手已得到指示,一见到从伽利略那里射来的光,就马上打开自己那块遮光板。既然光线从伽利略那里到达助手,再从助手那里折回来都需要一定时间,那么,从伽利略打开遮光板时起,到看到助手发回的光线,也应有一个时间间隔。实际上,他也确实观察到一个小间隔,但是,当伽利略让助手站到远一倍的地方再做这个实验时,间隔却没有增大。显然,光线走得太快了,走几英里路简直用不了多少时间。至于观察到的那个间隔,事实上是由于伽利略的...
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