從《星際穿越》到高維空間

2020-11-10 科普中國網

  看過《星際穿越》的朋友,估計都會有種不一樣的感覺。例如,有人會問這電影到底是在講什麼的呢?其實很多人都明白該電影是用了親情作為了故事的線索,因地球環境破壞而外出尋找新家園(當然這是個謊言)作為起因,引出人類的星際穿越。

  那麼,問題來了,那個蟲洞到底是誰建造的呢?

  對於這個答案,相信有人已經知道了,沒錯,就是人類,未來的人類。(對於這個設定,可以參照一部經典科幻小說《星叢》,這部小說同樣簡述類似的故事,不過著重點在於挽救宇宙。)。

  接著,第二個問題又來了,為什麼未來人類建造的蟲洞會出現在現代(主角現在所處的時代)?在解釋這個問題的時候,我們先理解一下四維空間和五維空間。

  由於未來人破解了引力方程式,找到了四維空間和五維空間的聯繫,然後有了理論體系之後就開始發展相應科技,建造出來了五維空間。說到這,就先說一下四維空間和五維空間是什麼。

  所謂的四維空間是指我們現在所處的空間。其實在經典力學統治階段,我們一直認為我們所處的空間是三維空間,以牛頓以首的科學家認為時間和空間是絕對的,即他們之間是單獨存在,沒有任何聯繫。隨著愛因斯坦的相對論問世後,空間和時間由原來的單獨存在的關係,成為了相互相成的關係,時間和空間的有機結合構成了我們所處的四維空間。

  至於五維空間,那就是在四維空間上多了一維,可是怎麼多上一維呢?

  我們都清楚,在數學上我們有學過點線面和體,點成線,線成面,面成體。而這裡的點線面和體就分別對應零維,一維,二維和三維,在三維空間上加上一維就成了四維空間。那麼怎麼理解這個四維空間呢?這樣子說吧,當將一個三維立體從一個地方移動到另一個地方,然後用線條將兩個地方的影像連接起來,將中間過程通過實線來實體化後,就形成了四維空間。我們在現實中無時無刻不做著如此類似的運動,無論是上下運動還是水平運動,我們都在三維空間中移動,在四維空間中流淌,這也為什麼會說我們所處的世界是四維空間了。

  那麼五維空間呢?

  我們現在處於四維空間,但是我們無法感知到時間的存在,時間就像是幽靈般飄忽在我們周圍。朱自清的《匆匆》說得好,「洗手的時候,日子從水盆裡過去;吃飯的時候,日子從飯碗裡過去;默默時,便從凝然的雙眼前過去。」可是到了五維空間,我們就可以看到時間以實質體的形式呈現在我們面前。

  為什麼五維空間中的我們會看到時間是實體?

  說個比如吧,假如一張二維相片中的你平日裡一直生活在二維平面內(即相片內),可是突然,我用一個蘋果砸在你所在的那個相片上面,而你只是能看到蘋果和相片相接觸的那個平面,而你無法看得到蘋果的全身。當你忽然來到了三維空間,有了「高」這個維度參數之後,你恍然發現原來蘋果是這樣子的,那時你就猶如看到了「高」這個維度的實體。

  說到這裡,我們回到五維空間的解釋上面。五維空間就是在四維空間的基礎上多上了一維,那這一維度如何體現呢?到了這裡,我們已經有點無法理解了,因為我們已經無法用長寬高和時間來描述。其實,只要當我們利用數學解題的整體看待手段來處理一下,我們就會得到了一個很好的理解。

  那如何整體看待呢?

  很簡單,你將四維空間疊放起來,例如,我們理解四維空間的時候是兩個三維立體移動過程中影像相連,現在我們擴大空間尺度,將兩個三維立體比喻成一個點,然後兩點成線(兩個立方體在兩個地方,然後用線條連接),但是兩點成線是建立在一個方向上的。於是,當你在此基礎上發展另一個方向上的四維空間時,你就構成了一個五維空間。這就是為什麼,在《星際穿越》的末尾時,主角進入的那個五維空間會是那樣子的錯綜複雜了。

  主角為什麼可以進入五維空間呢?

  在這裡先解釋一下蟲洞。蟲洞,還有一個名稱,那就是愛因斯坦羅森橋,是為了紀念阿爾伯特·愛因斯坦和納森·羅森兩名科學家。愛因斯坦和羅森於1930年在研究引力場方程時提出假設,假設認為透過蟲洞來實現瞬時間的空間轉移或時間旅行。理論上,蟲洞是連接白洞和黑洞的通道,這條通道無處不在,可是卻隨著白洞和黑洞的蒸發而隨之消逝。

  儘管人類對黑洞的認知依舊停留在理論上,目前所取得的成就都只是在理論計算和天文探測上所取得的,還沒到實地考察與研究階段,但是這並不影響黑洞在我們人類心中的重要位置,例如瑞典皇家科學院將2020年度諾貝爾物理學獎授予給三位在黑洞中取得重要成就的科學家,便是一個很好的證明。至於人類對白洞的了解比之黑洞更少,因為理論上白洞存在的時間更短,人類難以通過天文望遠鏡等探測技術發現,如果未來有朝一日某位科學家發現了白洞的存在,恐怕他也很大可能摘得年度諾貝爾物理學獎。

  說遠了,我們還是回到本來的話題吧。

  正如前面所提到的,蟲洞或者說愛因斯坦羅森橋是實現瞬時間的空間轉移或時間旅行的途徑,那麼蟲洞又是如何存在的?或者說,蟲洞怎麼製造?簡單地說,蟲洞是時空極度扭曲的現象,而黑洞周邊的空間正好是扭曲的,符合蟲洞的存在特點,那麼我們可以進行推測,黑洞可以製造出理論上的蟲洞,只要物體能夠脫離黑洞的束縛,例如主角利用飛船強大的推力脫離黑洞的視界,就有可能進入蟲洞,從而穿越時空進入其他時空,例如五維空間。當然,掌握了黑洞技術,我們人類也可以製造人造黑洞,進而製造人造蟲洞。

  現在回到了第二個問題,為什麼未來人建造的蟲洞會出現在現代呢?

  因為主角的女兒破譯了引力方程式,有了發展五維空間技術的理論基礎,人類就可以將五維空間技術研製出來,其中電影末尾出現的農場便是最好的證明。掌握了五維空間技術的人類,就意味著可以其自身擁有了掌控時間的能力。他們結合自身成熟的黑洞技術等製造人造蟲洞,然後通過自身掌握時間的能力,他們便可以將某種物體(例如影像中的蟲洞)送回到過去(即主角所在的那個時代)。

  女兒一直深信著自己的父親會回來,於是便利用五維空間技術打通了一條連接兩個四維空間的通道即蟲洞,同時打造一個五維空間(這就是為什麼主角進入的五維空間只是關於他女兒的原因,因為這是他女兒為他而打造的),幫助主角找到回家的路,也就引發了一場精彩的時間之旅。

  說到這裡,或許有人會疑惑,女兒所製造出來的蟲洞為何如此巧合地接入主角所在的時間線,神奇般地成為了主角完成自我救贖的重要機會呢?其實簡單地說,主角由於跌落黑洞所形成的天然蟲洞,進入五維空間,進而困在五維空間無法脫身。他在五維空間中又巧遇女兒所在的時間線,從而在五維空間中提醒女兒破譯引力方程式,最終幫助他擺脫五維空間的束縛。

  想著想著,我們會發現一個問題,前面提到五維空間是女兒製造出來的,這在邏輯上是否存在一個問題?其實這可以說得通,那就是主角本來在毫無防禦措施之下跌落黑洞,很大程度上是會被黑洞強大的引力撕碎,就算他真的進入黑洞形成的自然蟲洞,他依舊會死亡,死亡的原因可能是被強大的輻射能照射等。女兒為了挽救自己的父親,製造出五維空間並在父親跌落黑洞之後引領他進入,從意識和肉體上引領父親進入五維空間,只要保證五維空間的條件適宜人類生存,父親是可以生存下來的。只要確保父親的意識和肉體還在,女兒就可以通過技術將他重新引出蟲洞,從而讓父親再度回到人類世界並被獲救。

  故事往往都會充滿奇幻色彩,我們會感嘆命運,會覺得冥冥之中自有定數,可是,命運很多時候都取決於自身的選擇。如果你選擇安逸,你將體會不到搏擊風浪的激情;如果你選擇奮鬥,你將可能改變自身命運,創造自我的價值,從而在歷史的篇章中書寫屬於自己的人生。

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