本系列文章預(yù)計(jì)會有20個(gè)章節(jié)，這套文獻(xiàn)將系統(tǒng)講述物理學(xué)本身，這里是第六季第4篇。
--本文較長，預(yù)計(jì)閱讀10min--
歡迎大家來到Masir的物理學(xué)體系專欄~
這一講我們開始我們將真正打開混沌學(xué)的的大門..
【正文】
01
電影《星際穿越》有一個(gè)這樣的情節(jié)：主人公庫珀在卡剛都亞黑洞的行星上只待了3小時(shí)，后來卻發(fā)現(xiàn)飛船上已經(jīng)過了23年，時(shí)間相差了6萬倍。要有這樣巨大的時(shí)間差，其條件就是行星極度靠近黑洞的同時(shí)，黑洞也以最大速度轉(zhuǎn)動。
（這部電影沒看過的同學(xué)我建議抽空看一下，很有價(jià)值很有腦洞~）
按照相對論理論所言，這樣行星上的時(shí)間就會被極大地拉長。
在愛因斯坦狹義相對論的結(jié)論中，有一個(gè)“鐘慢”現(xiàn)象，就是說運(yùn)動速度快的物體，它流逝的時(shí)間會變慢。
時(shí)間膨脹描述了當(dāng)物體運(yùn)動時(shí)，時(shí)間是如何變慢的。你運(yùn)動得越快，時(shí)間就流逝得越慢，當(dāng)你達(dá)到光速時(shí)，時(shí)間就停止了。
在愛因斯坦的廣義相對論提出后，這種“鐘慢”現(xiàn)象被稱為“引力時(shí)間膨脹”。
（廣義相對論之引力場方程）
引力時(shí)間膨脹是指引力導(dǎo)致的時(shí)空扭曲率越大，時(shí)間就過得越慢。
通俗地說，你運(yùn)動得越快，時(shí)間就流逝得越慢，當(dāng)你達(dá)到光速時(shí)，你越深入引力的井（比如，一顆大質(zhì)量的恒星就會形成這樣一個(gè)引力的井），時(shí)間的流逝就越慢。
一旦你進(jìn)入黑洞的視界，時(shí)間就停止了。時(shí)間流逝的快慢，或者時(shí)間膨脹，就是“時(shí)間彎曲”效應(yīng)。如果在黑洞的視界邊緣，這種效應(yīng)看起來時(shí)間是停滯的。
在愛因斯坦提出廣義相對論僅僅一年后，德國物理學(xué)家卡爾·史瓦西找到了愛因斯坦方程的一個(gè)最簡單的解。他的計(jì)算簡潔而優(yōu)美，計(jì)算所預(yù)言的彎曲幾何，很快成為大家所熟悉的史瓦西幾何。
史瓦西幾何預(yù)言，每個(gè)星體都存在一個(gè)依賴星體質(zhì)量的臨界周長（史瓦西奇點(diǎn)），如果星體的半徑小于史瓦西解的這個(gè)臨界周長，星體內(nèi)部就會坍縮成被稱為黑洞的天體。
史瓦西解不僅描述了空間的曲率，而且還描述了黑洞附近的時(shí)間卷曲，即由黑洞的強(qiáng)大引力產(chǎn)生的引力時(shí)間膨脹。黑洞是彎曲的時(shí)空區(qū)域。
由于黑洞有更強(qiáng)烈的彎曲空間，表面的時(shí)間流無限地膨脹，時(shí)間根本不流，凍結(jié)了。
用現(xiàn)代語言來說，史瓦西奇點(diǎn)就是臨界周長，也被稱為視界，就是黑洞的地平線。具有臨界周長的星體表面正好處在黑洞的視界：星體以它強(qiáng)大的引力產(chǎn)生一個(gè)包圍它自身的黑洞視界。
廣義相對論告訴我們，視界只是一個(gè)想象出來的表面，黑洞由于引力巨大，使光也不能逃脫。如果一位宇航員運(yùn)動到黑洞的視界邊上，他的時(shí)間看起來將是停滯的。
1973年，英國劍橋大學(xué)著名物理學(xué)家霍金考察黑洞附近的量子效應(yīng)，利用熱力學(xué)第二定律發(fā)現(xiàn)黑洞會像天體一樣發(fā)出輻射，其輻射的溫度和黑洞質(zhì)量成反比。
這樣，黑洞就會因?yàn)檩椛涠冃?，而溫度卻越變越高，最后以爆炸而告終。所以，黑洞可以輻射的現(xiàn)象也被稱為“霍金輻射”。
這一發(fā)現(xiàn)在統(tǒng)一20世紀(jì)物理學(xué)的兩大基礎(chǔ)理論——廣義相對論和量子理論方面走出了重要一步。
霍金的貢獻(xiàn)是在經(jīng)典物理框架里，證明了黑洞和大爆炸奇點(diǎn)的不可避免性，黑洞越變越大；但在量子物理框架里，他指出黑洞因輻射而越變越小，大爆炸的奇點(diǎn)不斷被量子效應(yīng)抹平，整個(gè)宇宙空間正是起始于此。
1988年，霍金出版科普著作《時(shí)間簡史》，主要探討了宇宙的起源和歸宿，時(shí)間有沒有開端，空間有沒有邊界。
02
愛因斯坦的相對論不否定時(shí)空穿越——質(zhì)量造成兩處時(shí)空彎曲，若交會于一點(diǎn)，就生出一條“蟲洞”，我們可以由之穿越到七千萬年前的仙女座星云。
時(shí)空穿越不是不可能，但“蟲洞”只是假想，前提是廣義相對論完全正確。
時(shí)空可以被折疊和扭曲，但需要大量的物質(zhì)或能量才能造成這樣顯著的時(shí)空扭曲。然而，在理論上這樣的扭曲是可能存在的，只能說可能。
在極端案例，比如蟲洞的情況下，兩個(gè)時(shí)空區(qū)域之間建立起一個(gè)“捷徑通道”。
在影片《星際穿越》中，勇敢的探險(xiǎn)家們利用土星軌道附近的一個(gè)蟲洞進(jìn)入另一個(gè)行星系統(tǒng)。
正如影片所描述的那樣，蟲洞彎曲了空間，讓超遠(yuǎn)距離旅行可以在瞬間完成。形象地說，蟲洞彎曲空間就像將一張紙折疊，縮短紙的兩個(gè)遠(yuǎn)點(diǎn)之間的距離。
通往遙遠(yuǎn)時(shí)空的通道真的存在嗎？
最新研究顯示，銀河系中心可能存在超級蟲洞，其大小和穩(wěn)定性足以允許一艘飛船從中穿過。
蟲洞是理論物理學(xué)中認(rèn)為連接遙遠(yuǎn)的兩個(gè)宇宙時(shí)空區(qū)域的通道。
愛因斯坦的理論認(rèn)為，或許可以通過一條時(shí)空通道，回到時(shí)間上更早的空間上的起始點(diǎn)，但這種可能性讓物理學(xué)家和哲學(xué)家們困惑不已，因?yàn)檫@似乎會把原因和結(jié)果完全顛倒，像經(jīng)典的“祖父悖論”。
需要強(qiáng)調(diào)的是，專家們指出蟲洞并不存在，至少目前未發(fā)現(xiàn)。
需要說明的是，根據(jù)2016年最新公布的研究成果，時(shí)間雖然有方向性，但宇宙卻是各向同性的。在宇宙學(xué)中有一個(gè)基本假說，即“哥白尼原則”，該原則認(rèn)為，從大尺度看，宇宙是沒有特定方向的，而且無論你朝哪里看，看到的宇宙基本都是相同的。（之前我們有一期講過）
英國倫敦大學(xué)和帝國理工學(xué)院的宇宙學(xué)家們通過對宇宙微波背景輻射的研究，驗(yàn)證了“哥白尼原則”，即宇宙是各向同性的，從大尺度看，宇宙在各個(gè)方向上是完全相同的。
熱力學(xué)第二定律為我們提供了一個(gè)宏觀視角，這一定律由于極其深刻的思想內(nèi)涵已被廣泛地運(yùn)用到哲學(xué)、人文、社會科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。
熱力學(xué)第二定律對人類的世界觀也產(chǎn)生了影響，其中也包含了獨(dú)特而深邃的時(shí)空觀。
在牛頓力學(xué)里，過去、現(xiàn)在、未來的任何時(shí)刻都是一樣的。因此，力學(xué)沒有時(shí)間性，“演化”沒有太深的意義。
熱力學(xué)就不同了，這里，熵把每個(gè)時(shí)刻加以區(qū)別，宇宙是真正地在演化。談到不可逆時(shí)間，是與我們的頭腦如何理解時(shí)間有關(guān)，而不是客觀流逝。
在應(yīng)用一個(gè)物理定律時(shí)，除這個(gè)定律以外，我們還得輸入一些數(shù)字，代表初始條件或者邊界條件，例如宇宙中所有粒子的位置和速度。
許多物理學(xué)家認(rèn)為，熱力學(xué)的時(shí)間之箭只是跟這些初始條件有關(guān)，而不是物理定律本身的一部分。
宇宙最初很小、很密，處于高度組織、低熵狀態(tài)；于是，時(shí)間的流逝就一定和熵的增大、混亂的增大對應(yīng)，而宇宙一直處于膨脹，能量不斷消耗成一片廢熱，即所謂“宇宙熱寂”的過程。
霍金想把初始條件解釋成宇宙論本身的結(jié)果。他的辦法是把現(xiàn)今純理論的對稱時(shí)間宇宙學(xué)理論推到盡頭，然后說邊界條件就是沒有邊界條件。
這樣一來，就不會出現(xiàn)不守規(guī)矩的奇點(diǎn)，空間、時(shí)間也不會有“邊緣”，宇宙將是獨(dú)立自主的，猶如一個(gè)球面。
對支持可逆時(shí)間的人來說，熱力學(xué)最大的缺點(diǎn)是它只牽涉世界的皮毛，不像相對論和牛頓力學(xué)那樣能跟“基層的”、看不見的微觀世界打交道。
但是，玻爾茲曼卻從原子、分子的行為中，重新發(fā)現(xiàn)了時(shí)間之箭。玻爾茲曼震驚了當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家，他把熵和概率連在一起，成為世上第一個(gè)給一項(xiàng)基本物理定律一個(gè)統(tǒng)計(jì)性解釋的人。
例如：冰是個(gè)低熵狀態(tài)，概率遠(yuǎn)小于水存在于液態(tài)的概率，液態(tài)是隨機(jī)性更大的高熵狀態(tài)。表示這個(gè)關(guān)系的嚴(yán)密數(shù)學(xué)公式，愛因斯坦稱之為“玻爾茲曼原則”。
乍看上去，熱力學(xué)第二定律和19世紀(jì)驚動全世界的另一發(fā)現(xiàn)——達(dá)爾文的進(jìn)化論相沖突。
經(jīng)典力學(xué)把宇宙看成一個(gè)不折不扣的機(jī)器，熱力學(xué)似乎說這機(jī)器步步走向絕對的混亂。可是，達(dá)爾文證明的是，簡單的生物逐漸演化成復(fù)雜的生物，生命隨時(shí)間越來越有組織，而不是越來越亂。
天上飛的、水里游的、地上爬的，如此豐富多彩，它們的演化似乎跟主張世界越來越亂的理論不能相容。事實(shí)上，這里并不存在矛盾。這是因?yàn)闊崃W(xué)第二定律里面藏著一套妙計(jì)，它能使創(chuàng)造性的演化發(fā)生，而不只是純破壞性的演化。
早在1878年，玻爾茲曼已看到了端倪，不過正式發(fā)展要等到近年來對第二定律的重新評估以后。
新評估證明熱力學(xué)第二定律并不意味著單調(diào)退化到無序，證明宇宙反過來可以利用熱力學(xué)來創(chuàng)造，進(jìn)化和發(fā)展。
以科學(xué)家普里高津?yàn)槭椎牟剪斎麪栕杂纱髮W(xué)的一群研究者，創(chuàng)造了一套20世紀(jì)的熱力學(xué)。他們的論點(diǎn)和通常對熱力學(xué)第二定律的理解不同，認(rèn)為熱力學(xué)第二定律并不等于千篇一律地朝著混亂一直消沉，而是存在“自組織”這個(gè)新的科學(xué)法則。
在所謂宇宙熱寂退化的過程中，我們可以找到許多自動產(chǎn)生秩序的出色例子。
咖啡里面加牛奶，最后狀態(tài)固然是那個(gè)常見的灰色渾湯，但在達(dá)到那個(gè)狀態(tài)以前，白牛奶在黑咖啡里演繹了多少瞬息萬變的漩渦花樣和結(jié)構(gòu)??！
然而，即使我們承認(rèn)熱力學(xué)第二定律的時(shí)間之箭意義深奧，根基牢固，不可能是幻覺，我們的主要問題仍舊沒有得到解答。
我們?nèi)绾文苁惯@個(gè)不可逆時(shí)間，和用“無時(shí)間性力學(xué)”描述的微觀世界和諧一致？這個(gè)謎，玻爾茲曼只解答了一部分。
真正的答案可能從正在萌芽的一門新學(xué)科里得到，這門新的學(xué)科就是混沌動力學(xué)。
從此代表混沌學(xué)的蝴蝶效應(yīng)在此誕生...
總結(jié)：
我認(rèn)為，人類在發(fā)展的過程中有兩種認(rèn)知手段，第一種靠見識，也就是見多識廣，也就是見到了，才能想到；第二種靠推導(dǎo)，就是你根本沒看到，而是通過某種工具推導(dǎo)出來了，雖然我們沒見過，但是可以通過想象來增長見識。
我們發(fā)現(xiàn)，其實(shí)牛頓是第一種，他是通過已有的現(xiàn)象來認(rèn)知世界，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，而愛因斯坦是第二種，他是通過思想實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證自己的理論。
真有意思，如果沒有廣義相對論的我們還無法認(rèn)知蟲洞，這種腦洞的存在，也無法知道原來時(shí)間，并不是每個(gè)人都一樣。
你看，我們的衛(wèi)星定位不就用了廣義相對論的原理嗎，由于高度與速度的問題導(dǎo)致每個(gè)固定時(shí)間都要重新校正時(shí)間。
不過話說回來，有些事情，我們可以預(yù)測，當(dāng)然，有些事情我們無法預(yù)測。簡單點(diǎn)說，這個(gè)世界真的沒有那么簡單，人類所掌握的知識，0.1%都不到...
好，今天就到這里~
Masir 2022/06/23
祝 愉快~
參考文獻(xiàn)
*《時(shí)空簡史》
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