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。