66662周前
代物理学首先教给我们的一件事是时间并不是一个独立存在,自己单独滴答作响的东西。时间与空间有着深刻的联系,空间与时间并非彼此分离的维度,而是一个统一的实体。把空间想象成一张巨大的看不见的薄片,向各个方向无限延展。它不是你可以触摸的实体薄片,而是一块平滑寂静的织物,承载着宇宙中的一切恒星、行星、星系,乃至在它们之间穿行的光。 现在再想象这块织物不仅代表空间,也代表时间,两者一起组成了科学家所说的时空,一个单一而统一的结构构成了宇宙最根本的基底。这个概念起初听起来也许很抽象,毕竟通常把空间和时间看作完全不同的东西。 空间是事物所在的地方,左右上下远近。时间是事情发生的时刻,清晨、傍晚、昨天、明天。但在现实中它们并不分离,它们是更深层现实的两个方面,像同一块布里的两股交织的线。时空的思想在20世纪早期首次被提出,它标志着科学家理解宇宙方式的巨大转折。 在那之前空间与时间被视为彼此分离且绝对的。人们以为时间在任何地方对任何人都以同样的速率流逝,不受影响。一个对整个宇宙都有效的单一节律,它被塑造的方式与塑造空间的那些条件相同。但这还不止如此,更耐人寻味的是在爱因斯坦的相对论中时间并没有内指诸如过去、现在或未来的标签。 这些词是我们用来描述自身经验的,但它们并不存在于物理学本身。广义相对论的方程不会说这是过去、现在或者这是未来,它们只是描述时间如何表现,如何与空间一起拉伸与弯曲。爱因斯坦的模型把时间当做一个维度,就像空间的三个维度那样,你可以用向北5米、向南3米、向东10米来描述一个地方。 在时空中你要加上第四个坐标时间,把这四个坐标放在一起,三个空间一个时间就确定了宇宙中某件事物的所在与何时。然而尽管我们可以在空间里朝任意方向自由移动,在日常经验里时间似乎有一条更为严格的道路。我们活在一个时刻然后走向下一个,可是在广义相对论的数学中所有时刻仿佛只是存在着。 该理论并不告诉我们哪个时刻是现在,它并不偏爱当下而反对过去或未来,它只是一次性铺陈出时空的结构,这引出一个奇异而微妙的观念。也许时间并不真正流动,或许它只是存在,也许所有时刻都存在于时间中,我们一次只能经历一个,但它们都已经在那里被编织进宇宙的织物里。 爱因斯坦本人曾说:“过去、现在和未来之间的区别只是一种顽固持续的错觉。” 这并不是说时间不真实,而是在暗示我们对流动的体验也许是心智创造的,而不是自然法则中内置的东西。但如果
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66661周前
七九六年莱布尼茨去世,但争论并未结束,最终牛顿的绝对时空观念占据了主流。他认为,绝对空间凭自身本质独立存在,永恒不变;绝对时间均匀流逝,不依赖外界。 在牛顿看来,时间像一台永不偏差的宇宙节拍器,每个人的钟表都与宇宙同步,无论地球还是遥远星系,一秒钟的长度完全一致。然而伽利略否定“绝对静止”的思想仍在潜流中存在,相对性从未彻底消失。时间究竟是恒定不变的,还是柔韧可调的?它是独立存在的实体,还是仅由事件的发生赋予意义? 要理解时间,必须从工业革命谈起,一个关于马力与蒸汽机的故事。在传统农业中,喂养马匹或其他牲畜的规律相对简单:提供一定量的饲料,它们就能完成一天的劳动。然而随着蒸汽机的出现,问题变得复杂:一堆煤炭能换来多少功?如果蒸汽机运行成本高于养马,换用机器又有什么意义? 正是这种经济与技术的困境催生了热力学的诞生,科学家开始追问:引擎的极限效率究竟有多高?早期蒸汽机的效率甚至不到3%,大量热量在燃烧后白白散失,摩擦导致金属发热、部件损耗,不可避免。热量的流失是单向的,无法逆转。 通过数学化的分析,人们意识到完美效率根本不存在,能量在传递过程中必然衰减,最终散入环境。为描述这种不可逆的衰退,人类引入了一个新的概念——熵。熵的增长不是随意的,而是概率驱动的必然趋势。 二十世纪初,乔治·伽莫夫举了一个例子:房间内的空气看似均匀分布,你不会看到空气突然集中在某个角落让人窒息。理论上可能发生,但概率极低,等待它出现的时间比整个宇宙的年龄还要长无数倍。无序总是比有序更可能出现。 热力学定律揭示了一个铁律:时间流逝的同时,宇宙的熵必然增加,未来的宇宙将比今天更加混乱与衰败。这条规律不仅适用于蒸汽机,也适用于行星、恒星、星系,乃至整个宇宙的结构,它们都在从有序走向无序。 一八六二年,开尔文勋爵提出了这个令人不寒而栗的终局:“虽然机械能不可毁灭,但宇宙中存在一个普遍的耗散趋势,这会导致物质宇宙中势能的耗尽……如果宇宙是有限的,并遵循现有定律,结果将不可避免地是一种普遍的静止和死亡状态。” 时间在这个意义上仿佛一条不断走向死亡的道路,永不停歇。 在所有思索熵与时间之间关系的科学家中,苏格兰的詹姆斯·克拉克·麦克斯韦无疑占据重要地位。十九世纪的他,通过对热与气体的研究,奠定了现代物理学的基础。而他最著名的贡献之一,是一个思想实验——麦克斯韦妖。 麦克斯韦深知熵的本质
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宇宙深渊:黑洞的隐形恐怖与时空扭曲之谜 黑洞是宇宙中一种非常特殊的天体,它的引力场极其强大,以至于任何物质,包括光,都无法从其中逃逸。它不是一个实体,而是一个时空区域,由质量坍缩到极小的体积而形成。 黑洞的形成 黑洞的形成通常与大质量恒星的死亡有关。当一颗质量远大于太阳的恒星(通常是太阳质量的8倍以上)耗尽其核燃料时,它不再能产生足够的辐射压力来对抗自身的引力。于是,恒星的核心会发生急剧的坍缩。 超新星爆发: 在坍缩的末期,外部物质会向内坍缩,然后被反弹,产生一场巨大的爆炸,这就是我们所说的“超新星爆发”。 核心坍缩: 在超新星爆发之后,如果恒星核心的残余质量仍然非常大(通常超过太阳质量的3倍),它自身的引力将继续使核心无限坍缩,直到形成一个密度无限大、体积无限小的点——奇点。 黑洞的组成部分 尽管我们无法直接“看到”黑洞,但物理学家通过理论模型和观测数据,将其划分为几个关键部分: 奇点(Singularity): 这是黑洞的最核心部分,一个密度无限大、体积无限小的点。目前所有的物理定律,包括广义相对论,在奇点处都会失效。所有的质量都被压缩到这个点上,引力在这里达到了无限大。 事件视界(Event Horizon): 这是黑洞的边界线,也是黑洞最具标志性的特征。它是一个光线无法逃逸的临界面。一旦物质(包括光)跨越事件视界,它就无法再回到外部宇宙,只能不断地被吸向奇点。对于外部观察者来说,任何越过事件视界的物体,都仿佛被冻结在时间中,并逐渐消失。 吸积盘(Accretion Disk): 当黑洞周围有气体、尘埃或恒星碎片时,这些物质会被黑洞的强大引力吸引,并在引力作用下高速旋转,形成一个围绕黑洞的扁平盘状结构,称为吸积盘。吸积盘中的物质在高速摩擦和压缩下会变得极其炽热,发出强烈的X射线、伽马射线等高能辐射,这些是天文学家探测黑洞存在的主要证据之一。 相对论性喷流(Relativistic Jets): 在某些黑洞(特别是超大质量黑洞)的吸积盘区域,强大的磁场和引力作用可以将部分物质加速到接近光速,并沿着黑洞的自转轴线以两束高度准直的喷流形式喷射出去。这些喷流可以延伸数千甚至数百万光年,产生强大的无线电辐射,也是观测黑洞活动的重要标志。
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