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◇◆“秘境追踪”之“终极幻想”:时空之旅(虫洞)◆◇

◇◆“秘境追踪”之“终极幻想”:时空之旅(虫洞)◆◇

2003年9月,《牛顿科学世界》以“时间机器何时起程”为题,报道澳大利亚物理学家保罗·戴维斯提出的时间机器制造方法。

  2004年4月20日,美国宇航局将一颗名叫“引力探测-B”的科学卫星发射上天,用以验证爱因斯坦的广义相对论中所预言的时空扭曲是否真的存在。“引力探测-B”研发历时45年,耗资7亿美元,在距地面640公里的地球极地轨道飞行20个月。

  “引力探测-B”会给爱因斯坦的理论再添一块基石,还是将从根本上改变我们对宇宙及时空的认识?

最后编辑2007-03-23 20:45:21
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时间机器

  □当人们开始科学地观测宇宙时,天文学家告诉我们:宇宙之大我们几乎无法想像。

  银河系中像太阳一样的恒星约有2000亿颗,而宇宙中的星系,人类目前能观测到的大概为500亿到1000亿个。

  专家认为,如果想遨游宇宙,靠目前的航天手段,甚至我们能够想像的航天手段都是不可能的,只能靠时空旅行。因为即便航天器提速到接近光速,要想到离银河系最近的仙女座星系,也要走230万年。

  1997年,根据美国天文物理学家卡尔·萨根的科幻作品改编的电影《接触未来》被搬上银幕。

  萨根讲述了一个人类与外星人接触的故事。外星文明通过无线电传授给地球人一种制造时间机器的方法,以在地球与天琴座α星之间建立通道。影片中,女主人公乘坐时间机器,飞速进入一条五彩斑斓的隧道中,来到天琴座α星。

  天琴座α星即织女星,从地球到织女星以光速要走26年。而电影里所描述的旅程只有1秒钟,这就是利用了时空旅行的手段。

  时间机器最早出现在1895年威尔斯的小说《时间机器》里,那时的设想只是作者的幻想。但10年后狭义相对论问世,又10年后广义相对论问世,这一设想开始有了一定的物理学根据。

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狭义相对论

  □100年前,爱因斯坦提出狭义相对论,并推断:如果人以接近光速旅行,那么时间对他来说就会停滞。

  从古希腊甚至更早,人们就对时间进行了很多思考,但真正从科学上把时间和空间联系在一起,并提出一种时空理论,还是从1905年爱因斯坦的狭义相对论开始。

  他首次提出,时间和空间不是彼此无关的。狭义相对论的核心是光速恒定。所有运动,甚至时间本身都必须与之相对应,由此爱因斯坦首次提出时间是相对的。

  假设保罗正以光速的一半前进,奇妙的事情出现了,保罗前面的光波被压缩,他的影像变成蓝色,同时,保罗在运动方向中还会变瘦,这并不是视觉错误,接近光速时真会这样。当保罗驾摩托车向郊外驶去,他看到的一切都压缩到前方的小洞中去,减速时又一切恢复正常。接近光速还会有最奇特的现象,就是时间减慢。若我们以接近光速的速度前进,衰老的速度会比正常人缓慢。保罗感觉仅离开了几分钟,但在朋友眼中却已过了几十年。

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时间变慢

  □1971年,爱因斯坦在理论上的假想被科学家证实了。

  1971年,物理学家理查德·基廷和乔伊·哈夫勒将4个极为精确的原子钟放在一架航行的飞机上。飞行之后,这些原子钟与地面的原子钟相比,的确慢了59纳秒。

  这一实验不仅证明狭义相对论完全正确,也说明人们通过坐飞机来长寿,理论上是可行的,只是效果太微弱了。因为据计算,如果一个人一年都在飞机上飞行,他可以赚得5微秒。假设他活了80岁,从出生就在飞机上这样生活,当80岁死去时一共可以赚得400微秒,即0.0004秒。80年的飞行才赚得连一眨眼都不到的时间,实在是有点得不偿失。

  但在粒子加速器里,狭义相对论所预言的时间膨胀效应就不那么微弱了。在美国有长达40公里的粒子加速器,当次原子粒子穿越这个巨大装置时,它们可以被加速到光速的90%以上。在这样的速度下,时间变化十分明显。疾驰的粒子质量增加了,而在正常情况下寿命很短的粒子存在时间也大大增长。

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回到未来

  □表现时空旅行的科幻电影和小说层出不穷,大多对时间机器如何制造一笔带过。

  但也有例外,如科幻喜剧《回到未来》可以说是时间机器制造大全。故事讲述高中生马丁和布朗博士是忘年交,博士为制造时间机器,偷了核原料作动力。就在实验时间机器时,博士不幸被恐怖分子杀害,而马丁则在逃命时驾着时间机器从1985年误回到1955年。由于时间机器损坏,马丁只好向30年前的博士求助,博士用闪电的能量把马丁送回1985年。

  《回到未来》第三集中,博士和马丁在1885年重逢,决定使用火车头推动时间机器,他们又成功了,不过这在物理原理上是不可能的,因为按狭义相对论,你不可能超过光速,提供再大能量也只能接近光速。如果把10吨重的物体加速到光速的99.9%,需要100亿亿焦耳的能量,相当于世界上几个月所耗能量总和!无法超越光速,意味着没办法回到过去。关于时空旅行的理论依据,要在广义相对论的时候才出现。

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虫洞理论

  □广义相对论提供了虫洞理论,虫洞是沟通宇宙之间的细长时空管道。

  1915年,爱因斯坦更为深奥的广义相对论问世,把引力、空间、时间这几者联系起来,预言引力会使时空发生弯曲。

  1919年,人们通过观察日食发生时星光的变化,发现太阳引力的确会使星体光线发生弯曲。

  对于时空旅行来说,广义相对论出现后产生的最重要影响就是提供了允许回到过去的虫洞理论。虫洞其实只是一个数学模型,关于它的各种设想都被视为是对爱因斯坦引力场方程的不同解答。

  1935年,爱因斯坦和罗森在论文中根据场方程推出的通道,被称为爱因斯坦-罗森桥。在论文里这座桥是无法通过的,当飞船想通过桥时,桥就会断裂。

  但1949年,奥地利数学家戈德尔通过计算发现,在某些特定情况下,桥不会断裂,广义相对论是允许人们可以回到过去的,这令爱因斯坦非常吃惊。

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祖母悖论

  □然而,如果我们能够回到过去,就可能破坏因果律。

  物理学家最早设想的例子就是祖母悖论:说你如果回到过去遇见祖母,不慎害死了她,你就无法出生了。既然你不能出生,又怎么可能害死祖母呢?这样就构成一个悖论。

  将祖母悖论展示得最为生动的,当数电影《未来战士》系列:1984年,一个未来世界(2029年)的机器人杀手T-800来到洛杉矶,疯狂追杀青年女子莎拉·康纳。因为在1997年8月29日,地球将经历一场核灾难,30亿人死亡,此后电脑“天网”统治了地球。后来人类抵抗组织中一个叫约翰的天才青年成为首领,而他的母亲就是莎拉·康纳。为摧毁人类抵抗组织,“天网”派出杀手机器人回到过去。与此同时,约翰也派出一个战士回到过去,保护莎拉·康纳。这个战士不得不以血肉之躯与施瓦辛格扮演的杀手T-800殊死搏斗。更奇妙的是,他和莎拉·康纳之间产生了爱情,他成了约翰的父亲!

  这一电影情节明显违背因果律。于是专家设想,只要有人能回到过去并干预历史,就会出现对因果律的破坏,为解决这个问题,新的理论平行宇宙出现了。

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平行理论

  □对于平行宇宙理论,人们可以从某些物理学上找到微弱的支持。

  霍金解释,时间旅行者回到过去改变历史后,时间线便出现分杈,分杈出来的时间线展开的是另一段历史。

  量子理论的核心观念是大自然在微观层次上是不连续的,这和牛顿经典力学的理论截然相反。1994年3月,牛津大学的大卫·多伊奇发表论文《时间旅行的量子物理》,认为时间旅行的可能性是以量子力学的“多世界”理论为基础的。在亚原子世界里,量子的不确定性占主导地位,这种不确定性很可能造成宇宙的多重性。根据“多世界”理论,宇宙从一开始起就有无穷多个平行的世界。

  有了平行宇宙的概念,时空旅行似乎就变得可行了。

  虫洞是现在能够想像到的进行时空旅行的最便捷手段,理论上宇宙中可能存在某些虫洞,但我们现在没有找到发现它的途径。科学家设想人工来制造一个虫洞,但目前没有技术手段能够达到这一目标。

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人造虫洞

  □在科幻电影里人们却可以看到各种幻想出来的人工虫洞。

  在电影《十二只猴子》中,主人公就是被塞入一个奇怪的洞中而进行时空旅行的。著名的系列片《星际迷航》里,人们一启动那道奇妙的光柱,就到了另一个宇宙或飞船上。而电影《救世主》中那把威力巨大的椅子,让人们能够在多重宇宙之间来去。

  人们该如何看待这些想像,科幻电影真的是无稽之谈吗?专家认为,科幻电影中的想像不能当作无稽之谈看待,因为这些想像即使有的没有科学依据,但它会通过扩展人们的想像力来影响科学。

  时间旅行,也许在下一代可以实现,也许永远只是个梦想。威尔斯在《时间机器》的结尾这样写道:人们除了惊叹别无选择。

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详细解释虫洞

虫洞:穿越时空的有效途径 Navigation
  人类的困境
招商引资
有限自然资源
有限生存空间
小行星碰撞
环境污染
星体老化
自然灾害
忧患意识
人口增长
战争和核威慑
暴力和恐怖
生物武器
高级文明创作
摆托人类的困境
2个时区之间的桥梁——“蛀虫孔洞”在人们眨眼之间为穿越半个宇宙提供了方便的设施,许多科学家认为蛀虫孔洞从物理学意义上来看是有道理的,但大多数人则怀疑宇宙飞船能跨过这座桥梁,现在科研人员做出这样的结论,即可以通过容易得令人吃惊的方式使一个孔洞能被通过。
  这种想法可能和使人和船以超过光速来运动同样稀奇古怪,但爱因斯坦的法则认可它。尽管如此,理论学家们仍然怀疑时空之桥会需要付出重大代价。因为相对论也表明任何一个孔洞能变成一部时间机器,穿越一个孔洞,某人可能会按时回来并在自己出生以前杀死他的祖先,从而制造一个矛盾。因此,物理学家并不惊奇于发现孔洞——就如同黑洞,会有“事件地平线”——这是一片区域,在它们以外,光线也逃脱不了。
  天文学家们相信,人类终能在地球邻近的星系中找到一个新的“地球”。如果有一天,这个目标实现了,人类又怎么能在有限的生命里,飞到距地球光年距离的目的地呢?《发现》杂志撰文介绍了科学家在星际旅行方面的最新进展。

  美国宇航局计划10年后发射一个天文望远镜,名为“地球行星探测器”,在太阳系寻找一个新大陆。预测认为,观察大约150个邻近星系可能会找到一个类似地球的小型行星。


  如果找到了新的“地球”,会出现什么样的情况呢?然而,要到新“地球”探险的难度可比到火星的难度多得多了。人们在黑夜中能看到的最亮的也是离地球最近的半人马座阿尔法恒星,其中可能存在类似地球的行星,但它离地球却有4.4光年之遥,比目前任何太空探测器所飞行的最长距离还要多3000倍。巨蟹55恒星中有3颗行星,它们组成了一个与太阳系类似的系统,但离地球却达到41光年远,比前者的距离还要多10倍。因此,要飞到一个能给人类居住的新“地球”,需要超快的航天器,它要比今年所有的航天器都要先进得多。

  但美国宇航局喷气推进实验室的罗伯特·弗里斯比认为,这样的航天器从理论上说是可以制造的。目前,弗里斯正在研究5种可能使宇航员飞到半人马座阿尔法恒星只需要花费不到50年时间的推进技术。
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    原子火箭
  俄罗斯物理学家齐奥尔科夫斯基发现,星际旅行最大障碍是:火箭的最大速率一般只有其发动机的喷气速率的两倍左右,发动机的喷气速率只能达到4.4公里/秒,因此单级火箭能达到的最大速率不到9公里/秒。以此速率,到达半人马座阿尔法恒星,将需要12万年。如果让一个宇航员花40年抵达目的地,火箭速率需要提高3000倍。如何才能达到这么快的速率,弗里斯比建议,使用核裂变、核聚变和反物质作为推进剂。

  核裂变火箭

  科学家制造了原子弹和核反应堆。当原子裂变时,所产生的“分裂碎片”速率达到光速的3%,即约每秒9000公里。美国人设计了一种概念型的“分裂碎片”反应堆,可以控制这些高速粒子,使火箭的速率能提高到约每秒1.8万公里,约光速的6%。

  弗里斯比提议,把两个核裂变火箭叠加组成二级核裂变火箭,使其飞行速率达到光速的12%。再加上两极减速火箭,人类只需要大约50年的时间就能进入半人马座阿尔法恒星。为了使重量减少至最小,核裂变火箭应该使用能快速衰变的镅这样的燃料。镅并非自然界中存在的放射性元素,而是用人工核反应制造。据估算,飞到最近的恒星需要大约200吨镅,此外还要相当重量的辐射防护材料,使用核裂变火箭进行星际旅行变得不切实际。

   核聚变火箭

  与核裂变相反,核聚变是把原子结合在一起,从而获得能量。聚变反应堆能减少不必要的一些辐射,也容易获得燃料氘和氚,因为氘和氚在月球的表面和木星的大气中大量存在。在到另一个恒星的星际旅行之前,核聚变火箭完全可在太阳系内找一个地方补充燃料。

  然而,科学家至今仍没有建造出一个可工作的核聚变反应堆。人们已经知道利用核聚变反应制造了氢弹,但却没有掌握该反应产生的能量控制技术。不过,一旦科学家掌握了核聚变技术,他们将能控制聚变反应产生的带电粒子,并让它们从一个磁场喷口喷出。这一过程能被应用于二级火箭,使其速率达到光速的12%。

  反物质火箭

  有一种方法可以以近100%的效率将物质转化为能量,也就是把物质与其镜像反物质相结合。物理学家已经制造了少量的反物质,欧洲核子研究中心最近就制造出了1百万个反氢原子。对星系旅行火箭来说,反物质将是重要的燃料。然而,想要获得星际旅行火箭所需要的大量反物质,是极其困难的事。

  在反物质火箭中,等量的反氢原子和氢原子在燃烧室中混合,如果重量都是半磅(1磅约为453.592克),两者结合湮灭时所产生能量将比10兆吨氢弹释放的能量还要大。采用与核裂变火箭类似的方法,用磁场把这些粒子束缚起来,能使其喷射速率达到光速的三分之一,使火箭的最高速率达到光速的66%。“这是迄今人类所能制造的最强功能的火箭。”

   二级反物质火箭飞到半人马座阿尔法恒星花费大概41年,需要大约90万吨燃料。在更远距离的星际旅行中,四级(两级加速,两级减速)反物质火箭将更能显示出自己的优势。据弗里斯比计算,飞到巨蟹55恒星需要3800万吨反物质燃料,耗时130年。而采用聚变火箭,同样的航程则需400年。专家说,星际旅行需要更轻、更灵活和更快捷(接近光速)的推进系统。目前,这样的概念型系统有两种,一种不久将接受测试,而另一种则如同半人马座阿尔法恒星那样遥远。

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