科學:霍金的宇宙模型是什麼樣的?可以時間旅行的宇宙存在嗎?

2020-12-20 銀河系未解之謎

序:在過去的主流宇宙模型中,科學界認為宇宙必須有一個起點,一個終點,但是科學家不能說清楚。其中最著名的科學家有霍金,愛因斯坦,哥德爾,那麼他們的宇宙模型是什麼樣的?

本篇我們看下這些非常有趣的宇宙模型。

霍金的無邊宇宙模型

霍金認為宇宙是有邊界的,宇宙就像一副立體全景圖,雖然現在向外擴張,但它是有邊界的,並且,霍金利用數學的方法建立了一個無邊宇宙模型。

霍金的宇宙模型很像是克萊因瓶,與克萊因瓶相對應的是莫比烏斯環,到目前為止,最能體現我們宇宙樣子的,只有克萊因瓶了。

1.克萊因瓶

克萊因瓶可以描述為:瓶子上有一個洞,延長瓶子的頸部扭曲進入內部,頸部和底部洞口相連,這就是完整的克萊因瓶。一旦有物體進入,就不會從原入口出來,因此它又被稱為「永遠裝不滿的瓶子」。

事實上,克萊因瓶它並不是一個瓶子,而是一個四維超空間拓撲體,如果在三維世界中存在這麼一個結構的話,不小心誤入的話估計就得老死在裡面了。

2.莫比烏斯環

莫比烏斯環,是數學家莫比烏斯偶然間想到將一張紙條的一頭扭轉1880°,然後接到另一頭上的紙環。這個紙環的局部雖然有正反面之分,但整體上其實只有一個面。

看起來平淡無奇的一個環,但它有一個特性,就是不需要走回頭路,就能走完這個環的兩面,是不是很神奇?

克萊因瓶和莫比烏斯環,這兩個全是十分經典的拓撲學模型,一個沒有正反面,一個沒有內外。

對比霍金的宇宙模型,另一位科學巨人提出了完全不同的宇宙模型,那就是愛因斯坦。

愛因斯坦的有引力波的宇宙模型

20世紀30年代,愛因斯坦和他的助理納森·羅森,發現了愛因斯坦方程的新解,描述了膨脹的圓柱形宇宙,這個宇宙有一個非常特別的新特點——其中傳播著一種波,所到之處的空間幾何紛紛掀起漣漪。這就是有引力波的宇宙模型。

起初,愛因斯坦和羅森認為這種引力波並非真實存在,只是像地球儀上的經線一樣實屬人工合成物。可是對廣義相對論瞭然於胸的生物學家霍華德·羅伯特遜則覺得,這個模型中的引力波是真實存在的,並且最後說服了愛因斯坦。

到了19世紀70年代,很多的科學家都相信了引力波的存在,經過很多科學家的努力,人類終於在2015年,第一次正式探測到引力波。

庫爾特·哥德爾的不斷旋轉的宇宙

1.哥德爾的宇宙模型

1947年,愛因斯坦的親密夥伴哥德爾發現了一個新的愛因斯坦重力場方程解,使學界大為震驚,這個解的結果就是宇宙是一個不斷旋轉的整體宇宙!

說到哥德爾宇宙,最奇妙的地方在於,允許時間旅行,哥德爾宇宙說我們好像可以以「超光速」旅行。 我們的現實宇宙,可以想像是圍繞著大質量的天體旋轉。 宇宙的旋轉以極端的形式扭曲空間,閉合了時間,時間不是一條有前有後的直線,而是一個閉合的圓圈。

2.發現了時間旅行奧秘的科學家-馬萊特

馬萊特是康乃狄克大學的物理學教授。他的職業生涯一直在研究黑洞和一般相對論。 他也做了關於時間旅行的理論。 在這個過程中,他已經開始了一項複雜而爭議性的探索,去建造一個能夠回到過去的時間機器

他的第一份工作是在飛機噴氣發動機上試驗雷射的效果,受此啟發,他創建了一個原型,演示如何使用雷射創造一個扭曲的時空光束。

「事實證明,我對雷射的了解終於實現了突破。 因為我知道我可能已找到新的方法來構築時間機器。」 ---馬萊特

他還說:一束循環的雷射可以起到時間機器的作用,使時間扭曲,讓你回到過去。

目前他正在努力籌集資金進行現實生活中的實驗。

3.理想的時間旅行機器是什麼?

「蟲洞」,大多數人都聽說過蟲洞,愛因斯坦-羅森橋就是所謂的蟲洞,是愛因斯坦和羅森橋在研究引力場方程時假設的,他們認為通過蟲洞可以進行瞬間的空間轉移和時間旅行,蟲洞不僅僅允許空間旅行,它也允許時間旅行。

或許蟲洞為時間機器只能是空想,但歷史無數次地證明,看似無比荒謬的理論推測,最終有可能證明是完全正確的。

假設科學家們的理論是正確的,蟲洞從哪裡來,或時間機器從哪裡來那?

理論物理學家加來道雄在接受《科學美國人》的採訪時說:我們可以從真空中把蟲洞給抓出來,因為它們無處不在。

可穿越蟲洞應該是什麼樣?

看過科幻片《時間機器》的朋友可能會有印象,時間機器長什麼樣。

一個長的工業時代風格的時間機器。不需要知道它背後是什麼原理,只需要知道有個按鈕,一按就會回到過去或闖進未來,目睹時光飛逝、世界大戰。

但是科幻畢竟是科幻,物理學家索恩利用卡西米爾效應給出了時間機器的現實版本。

一個叫卡西米爾的荷蘭物理學家推導出:由於量子世界的海森堡不確定性原理,使得金屬板之間產生淨吸引力。這種奇異效應就被叫做卡西米爾效應。

卡西米爾進而得出,量子理論能夠產生負能量,而負能量正是時間機器所需要的。

索恩設計的時間機器是這樣的:

時間機器由兩個艙室組成,每一個艙室設置兩塊平行金屬板。在兩對金屬板之間產生強大的電場,在連接兩個艙室之間是一個可穿越的人造蟲洞。當穿越者進入一個艙室後,就會瞬間被轉換到某一時空,過去或者未來。無論是霍金的無邊宇宙模型,還是的有引力波的宇宙模型、或哥德爾的不斷旋轉的宇宙,都代表著人類認識宇宙的精神和追求。而時間旅行,更著實是人類永不放棄的極致追求。所以有關時間旅行這個問題,我們還會在以後的篇章中論述。

相關焦點

  • 霍金想多了嗎?宇宙之王的終極量子論,宇宙波函數揭示的科學謎思
    於是,霍金曾投入了大量的時間計算宇宙波函數的解,以求得到一個滿足我們這個宇宙概率是一個極大值的解。霍金的猜想2:蟲洞不再用於時間旅行,而是連接不同平行宇宙的通道。無數的宇宙隨機分配著不一樣的物理規則:不一樣的時間、不一樣的半衰期、不一樣的電荷大小……所以,你即便進入這樣的平行宇宙中去旅行,你無法以我們的時間概念去界定那裡,或許你已經去過了,但又回來了,只是毫無察覺。這樣討論註定毫無意義。
  • 隻言片語:《與霍金一起了解宇宙:時間旅行》
    4、霍金提出三種穿越路徑(1)蟲洞:穿越第四維的通道    蟲洞就在我們周圍,只是小到肉眼無法看見。宇宙萬物都會出現小孔或裂縫,這種基本規律同樣適用於時間。時間也有細微的裂縫和空隙,比分子、原子還要小的空隙被稱作「量子泡沫」,而蟲洞就存在於「量子泡沫」中。
  • 「霍金沒有離開,他只是去宇宙旅行了」
    聲明稱,霍金是一位偉大的科學家,一個非凡的人,他的工作和成就的影響將會持續多年。    1959年17歲的霍金入讀牛津大學的大學學院攻讀自然科學用了很少時間而得到一等榮譽學位,隨後轉讀劍橋大學研究宇宙學。    1963年,21歲的他不幸被診斷患有肌肉萎縮性側索硬化症即運動神經細胞病。
  • 《與霍金一起了解宇宙》生命之外 宇宙之內
    (本文寫於2018.4.7 是大一公選課的一次作業 原文在博客上 今天恰好又看到)當我準備寫下有關近代物理與東方文化的心得時,我又一次在網上看了老師曾在課堂上與我們分享過的《與霍金一起了解宇宙》。其分為三個部分:外星人、時間旅行,以及一切的故事。所以與其說這是一份有關物理課的心得,不如說是一篇觀後感來的準確。我也像紀錄片所分成的三個部分一樣一一講講我的所感所獲以及所思。
  • 《與霍金一起了解宇宙》時間旅行的三種方式,而蟲洞的可行性幾乎為零
    霍金先生講到了要以四維的角度看時間。所有的物體都是三維的,包括你和你坐的椅子,任何事物都有長度、寬度和高度。但是還存在一種維度,即時間維度。而所有的事物在時間上都有長度,人的壽命80餘年,石頭可以延續數千年,太陽系則能長達數十億年。
  • 宇宙沒有「起源」?霍金認為,宇宙沒有起點和終點
    基于勒梅特.喬治斯和愛德文.哈勃的貢獻,美國物理學家喬治.伽莫夫(George Gamow)等人提出了「熱大爆炸宇宙模型」,且微波背景輻射的發現證實了喬治.伽莫夫等人的觀點,所以熱大爆炸宇宙模型成了標準宇宙模型。熱大爆炸宇宙模型、以及「大爆炸宇宙論」認為,人類所在的宇宙誕生於一個緻密熾熱的奇點,奇點在137億年前發生了一次大爆炸、且一直膨脹著。
  • 物理學家霍金去世,網友:他屬於宇宙星辰……
    霍金的主要研究領域是宇宙論和黑洞,證明了廣義相對論的奇性定理和黑洞面積定理,提出了黑洞蒸發現象和無邊界的霍金宇宙模型,在統一20世紀物理學的兩大基礎理論——愛因斯坦創立的相對論和普朗克創立的量子力學方面走出了重要一步。
  • 宇宙起源於138億年前,在宇宙誕生之前,世界是什麼樣的?
    20世紀至今的宇宙學發展主要是以愛因斯坦的廣義相對論基礎,而獲得最大的成就就是標準宇宙模型,這個模型如今叫做Λ-CDM模型,這個模型的前身是宇宙大爆炸模型。
  • 霍金:「如果宇宙不是你所愛的人的家園,它就不是宇宙。」
    世界以痛吻我,我卻回報以歌霍金於1942年1月8日出生在英國牛津,17歲時進入牛津大學,攻讀自然科學,隨後轉入讀劍橋大學,研究宇宙學,可以說是標準的「別人家的孩子」。霍金和加州大學聖巴巴拉分校(University of California at Santa Barbara)的吉姆·哈特爾(Jim Hartle)教授一起提出了無邊界宇宙模型,該模型基於愛因斯坦提出的有限無邊宇宙模型,認為在時空上沒有邊界。
  • 大爆炸前的宇宙是什麼樣的?大爆炸是真實存在的嗎?
    宇宙在有人類觀測記錄的這幾百年間都在膨脹。 「在膨脹」的意思就是,心理學時間箭頭(以人對過去未來的感知為時間的定義)和宇宙學時間箭頭(以宇宙的大小作為時間的定義)方向一致。
  • 再見霍金,最接近宇宙的男人
    他因此被譽為繼愛因斯坦之後世界上最著名的科學思想家和最傑出的理論物理學家。 當時眾人都以為這就是霍金的巔峰了,後來才知道,這只是霍金物理生涯的開始! 20世紀80年代,霍金提出的無邊界設想的量子宇宙論,解決了困擾科學界幾百年的「第一推動」問為今天人們理解黑洞和宇宙本源,奠定了基礎。
  • 走好,宇宙全能藝人霍金
    霍金曾經被問過:「如果見到愛因斯坦最想問他什麼問題?」,霍金說,「我想問問他為什麼不相信黑洞。」現在,他似乎真的可以去問了。走好,霍金。霍金的一生絕對稱得上傳奇。誰也沒想到,這個年輕人不僅在過去55年裡超長待機,更提出了宇宙大爆炸自奇點開始,時間由此刻開始,黑洞最終會蒸發等重要理論。
  • 《與霍金一起了解宇宙》生命不再 能量永存
    Discovery真是個偉大的頻道,霍金真是個偉大的科學家!本片共分三集,第一第二集都是四十五分鐘左右,最後一集比較長,80多分鐘。三部的內容分別是,外星人,時間旅行,一切的故事。本人最喜歡的是最後一集,因為它不僅像前兩集一樣有意思,而且在此之外還可以給我們很多啟示。外星人存在,我完全完全不質疑這個事實。
  • 霍金說:我能知道宇宙的秘密,卻搞不懂女人
    霍金說。 宇宙是什麼?起源在哪裡?如何理解黑洞?人類的未來將會如何?在科學世界裡,霍金給出了漂亮的回答。他刊登在《自然》上的論文《黑洞爆炸》被視為裡程碑,「這種理論意在將引力與量子力學——那些對大與小的相互衝突的描述——連接起來,從而解釋一個看起來比所有人所想的更為陌生的宇宙」。他的文章至今仍是科學家們稱頌的對象,甚至被稱為「物理學史上最美的文章」。
  • 《與史蒂芬·霍金進入宇宙》
    《與史蒂芬·霍金進入宇宙》史蒂芬·威廉·霍金,英國著名物理學家,應該人盡皆知了!他,21歲時不幸患上了會使肌肉萎縮的盧伽雷氏症,所以被禁錮在輪椅上,只有二根手指可以活動。1985年,因患肺炎做了穿氣管手術,被徹底剝奪了說話的能力,演講和問答只能通過語音合成器來完成。他的歷程似乎告訴人類,軀體這種附屬物,應該被好好歸類為有機體!
  • 科學、小說與電影:霍金三部曲、《時間機器》與《黑客帝國》
    科學正在解決曾經只能用哲學或者宗教回答的問題。霍金三部曲《時間簡史》、《果殼中的宇宙》、《大設計》,首先這次買的這套,裝幀,紙張,印刷都很好,但竟然有不少錯別字!!它是整個一族不同的理論,「具有允許許多,也許多達10的500次方的不同內空間的解,這意味著它允許10的500次方個不同宇宙,各自具有自己的定律。2、《果殼中的宇宙》是《時間簡史》的姐妹篇,可以理解為是對《時間簡史》重要觀點的概括性梳理和補充。分為七章,相對論簡史,時間的形狀,果殼中的宇宙,預言未來,護衛過去,我們的未來?星際航行可行嗎?以及膜的新奇世界。
  • 《與霍金一起了解宇宙》時間旅行
    實踐中也存在著細小的裂痕、褶皺和瑕疵。但是比原子還小。我們稱之為「量子泡沫」。連接兩個獨立地點和不同的時間。由此引出「蟲洞型的時間機器的概念」,將其中一個蟲洞擴大數億億億倍,就可以通過一個人甚至一艘太空船。根據麥克風的反饋理論,可知蟲洞吸收的輻射產生的反饋會變得足夠強大使蟲洞毀滅。
  • 霍金證明:宇宙在阻止人類穿越時間,改變人類命運,探索仍在進行
    時間旅行在很多人看來是一種純粹的幻想,但實際上穿越未來的時間旅行是很容易實現的,愛因斯坦的相對論已經給出了科學的解釋。ISS圍繞著地球以每小時27720公裡的速度運轉。因為時間膨脹的影響,太空人在上面停留了半年,比地面上的同行年輕了0.005秒。
  • 宇宙到底是一個在膨脹的泡泡,還是一杯珍珠奶茶呢?
    大爆炸模型霍金曾出過一本書,《果殼中的宇宙》,我覺得是很值得一看的書,也是繼《時間簡史》的有一本很有理論創新的科學名著。霍金在書中進一步結合現有的理論闡述了大爆炸理論。宇宙不斷地在膨脹下去,最終會是一個什麼樣的結局,宇宙會越來越冷嗎?會越來越冷和越來越空曠嗎?
  • 席捲頭條的霍金是怎樣為地球人講述宇宙歷史的?【搶鮮當讀】
    一開始,講座是圍繞著各種科學議題展開的,各種黑洞啦 、地球的未來啊、ALS等高大上的科學議題一個接著一個。霍金先生的勵志範兒演講Hingt翻整場,然而到了提問時間,沒有一點點防備,一個神奇的問題讓現場氛圍突轉。