秒懂霍金理論(2)《時間簡史》與光錐

上一集

我們談到了霍金的「時空觀」

 （可以點擊下面連結回顧上集）

【連結】

 

那麼究竟霍金怎麼給時空打造物理模型呢

 

秒總這就來帶大家探索一番

 

 

很多人都曾仰望星空

觀察是人類特有的能力

 

我們的視覺所能捕抓到的視野

構成了一個錐體

稱為「視錐」

 

 

視錐所見的物體有近大遠小的規律

稱為「透視原理」

 

 

可見

觀察者眼中的空間並不是真實的

 

同樣的

觀察者所看到（感受到）的時間

也不是真實的

 

 

「觀察」是一件奇妙的事情

看到的實在是真實的存在嗎？

或者是幻覺

 

 

而霍金正是利用科學

不斷地衝擊人們固有的「實在論」觀點

 

 

《時間簡史》中

描述了一種叫做「光錐」的事物

很多人並沒有搞清楚是什麼

秒總將用推理的方式

逐步給大家解讀這個神奇的存在

 

 

首先

廣義相對論認為

世界由「三維的空間」與「一維的時間」構成

 

 

 

為了研究方便

我們把「三維世界空間」

壓縮成「二維的世界片」

 

 

然後把不同時間上的世界片都標出來

 

 

當一個人靜止不動時

他在時間軸上移動

但不在空間軸上移動

 

 

當人運動時

同時在時間與空間軸上移動

就會形成一個傾斜的向量

 

 

然後再來一個極端的例子

當人的速度達到最高速度（光速）時

移動的向量變得最斜

 

 

光速的向量在各處都存在

於是它將圍起一個「錐體」

 

 

同樣的

在過去的時間軸上也有同樣的錐體

組成一個完整的「光錐」

 

 

相對論證明，任何物體都不能超越光速

因此任何事件都不能超出光錐的內部

 

 

這就是《三體》中所說的

「光錐之內即命運」

 

也即

任何事件都不可能在光錐以外發生

 

 

光錐是事件從發生到結束的邊界範圍

 

就像我們仰望星空

其實我們的觀察只被局限在一個視錐裡面一樣

我們的命運也被鎖死在一個光錐裡面

 

 

我們再來看看

霍金最為人稱道的研究領域：黑洞

黑洞模型其實也是一個錐體

這不是巧合

這就是宿命

 

廣義相對論證明

大質量物體會扭曲其周圍空間

就像鐵球放在彈簧床一樣

 

 

當球體的質量無窮大、體積無窮小時

被扭曲的空間變成了錐形

 

 

而黑洞就是大質量恆星

坍縮成奇點（質量無窮大、體積無窮小的點）後導致的

 

 

當摺疊的宇宙空間上具有兩個黑洞時

就構成了猶如「光錐」一般的造型

 

 

中間的連接處是「愛因斯坦·羅森橋」

也就是我們俗稱的「蟲洞」

 

 

黑洞具有巨大的引力

連光線都逃不出去

猶如「光錐」一般

黑洞也是無法逃脫的命運的牢籠

 

 

當物體被黑洞吸進去的時候

會被撕裂

 

 

但是霍金認為

被碎裂的信息不會被銷毀

而是可以復原

 

 

霍金舉了一個非常漂亮的比喻

把黑洞想像成留聲機

當它刻錄時

聲音被吸進去壓縮到碟片上

 

 

當它播放時

碟片中的信息被還原

 

 

現在把留聲機變回黑洞

碟片就是一個「全息屏」

 

 

「全系理論」認為

我們的宇宙

其實就是另一個高維度世界的投影

 

 

霍金研究的黑洞和宇宙

都具有相似的模型

 

是的

依然是「錐體」

 

 

霍金與彭羅斯證明了宇宙的「奇性定理」

認為宇宙誕生於一次大爆炸

而大爆炸的原點就是一個緻密的「奇點」

 

 

世間一切物體

小到原子，大到太陽

都起源於這個極其微小的奇點

 

 

換言之

世界上任何一個東西的點

都能在奇點上找到對應的點

 

 

整個宇宙是奇點的投影

奇點是放映機

宇宙是全息屏

 

 

奇點是個「卡丘空間」

具有摺疊的11個維度

而我們的宇宙只有3維

高維投射低維

因此我們的宇宙是個全息屏

 

 

但在宇宙錐體模型上

奇點需要量子物理學來解釋

宇宙需要廣義相對論來解釋

 

 

這兩個理論水火不容

並且都無法描述奇點真正的形態

 

 

奇點在他們看來

就是一個鏤空的點

 

 

因為在奇點中沒有時間和空間

因此也就「無解」

 

 

霍 金 恍 然 大 悟 !

 

 

當時笛卡爾在遇到「根號負一」無解的情況時很苦惱

於是強硬地設定：

 

 

並將「i」稱為「虛數」

構建了一個不存在的數

 

 

而在宇宙學中

霍金在奇點無解的情況下

也強硬地設定了一個「虛時間」

填充在奇點空白的解上

 

 

僅僅一個假想的概念

馬上讓量子物理學和廣義相對論起死回生

 

 

在宇宙奇點的另一個方向上

產生了一個由虛時間描述的宇宙

 

 

這個模型我們太熟悉了

宇宙、黑洞、光錐、視錐···

這難道就是世界的真相嗎？

 

 

德福德·思科曾提出一個「鏡像宇宙」的學說

他認為

兩個宇宙沿著相反的時間軸「生長」(大爆炸)出來

原來霍金和他「英雄所見略同」

 

 

「虛時間」是一個革命性的概念

這比霍金的在「黑洞輻射」與「奇性定理」的成就更耀眼

 

 

下一集

我們便來認識霍金的「虛時間」

和

「無邊界宇宙理論」

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