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但是如何回来呢?为此你需要一个通往过去的时间机器。哎呀,在时间上回到过去很可能是无法实现的。物理学家时常推测通往过去的时间旅行要穿越量子虫洞,但是在时间上回到过去,常常会导致逻辑上的矛盾。我猜想你会被困在未来,而且对此无能为力。
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引力导致的时钟变慢
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是什么使得黑洞成为时间机器呢?答案在于它们引起了时空几何的强烈扭曲。扭曲使得世界线上不同位置处的效应不一样,所以影响固有时流逝的方式也会不同。在离黑洞很远的地方,它的效应是非常微弱的,固有时的流逝几乎不受其影响。但是由于时空的扭曲,恰好悬挂在视界正前方处的时钟,会明显变慢。事实上,所有的时钟,包括你自身的心跳、新陈代谢,甚至是体内的原子运动,都会变慢。你丝毫不会注意到这种现象,但当你回到空间站,将你的手表和舱内的时钟相比时,你才会注意到差异。空间站的时间要比你手表上流逝快得多。
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事实上,返回空间站去观测黑洞,对时间的效应并不是必要的。如果你被悬挂在视界附近,我在空间站上,我们各自都用望远镜来相互看对方。我看到你连同你的时钟的运动变慢了,而你看到我在加速,就像观看启斯东公司出品的警察老电影[32]。在大质量物体附近,这种时间的相对延缓称为引力红移。爱因斯坦发现的引力红移,是广义相对论的一个自然推论,在牛顿的引力理论中并没有对应的效应,因为时钟以完全相同的速率滴答运行着。
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接下来的时空图展示了黑洞视界处的引力红移。图中左边的物体是黑洞。记住,此图表示的时空,垂直轴是时间。灰色的表面是视界,距离视界不同距离处的竖直轴代表一群等同的静止钟。标记号代表沿着世界线上固有时的流逝。单位并不重要,它们可以是秒、纳秒或者年。离黑洞视界越近,时钟滴答得越缓慢。相对于黑洞外的时钟而言,恰好在视界处的时钟完全静止。
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引力的时钟延缓可发生在不是很奇异的环境下,而并不一定要在黑洞视界处。一个合适的环境是太阳表面。原子是微型时钟,电子绕原子核的运动如同时钟的指针一样。从地球上来看,太阳上的原子运动得要慢一些。
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同时性的丧失、双生子佯谬、弯曲时空、黑洞和时间机器,这些新而奇妙的想法如此之多,但它们都是可靠的,是物理学家都认同的、无争议的概念。这需要煞费苦心地进行重新装备,微分几何、张量微分、时空矩阵、微分形式来理解时空的新物理。然而,与调和广义相对论和量子力学,所产生的令人困扰的概念上的困难相比,即使是仅仅过渡到梦幻般的量子王国时,所遇到的困难相比,这些棘手的事情就算不得什么了。在过去,有人认为量子力学无法与爱因斯坦的引力理论共存,似乎应该被抛弃。但是,可能也有人会说黑洞战争是一场“为保卫量子力学的战争”。
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在下一章中,我几乎不使用方程式,而尝试用堂吉诃德式的重新装备来使你适应量子力学。思考量子宇宙的真实工具是抽象的数学,这包括无穷维的希尔伯特空间、投影算符、幺正矩阵和许多其他高等原理,这需要几年的时间来学习它们。然而,让我们来看如何用几页纸来说明它们。
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第4章 “爱因斯坦,请不要告诉上帝该做什么”
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她放下杯子,胆怯地问道:“光是由波,还是由粒子组成的呢?”
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房前的一棵大树下,放着一张桌子,三月兔和帽匠坐在旁边喝着茶,一只睡鼠在它们中间酣睡,那两个家伙把它当作垫子,把胳膊支在睡鼠身上,而且就在它的头上谈话。爱丽丝想道:“这睡鼠太不舒服了,不过它已睡着,可能就不在乎了。”[33]
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自从爱丽丝上了最后一次科学课之后,她就深深地被某种东西所困惑,她希望她的这位新朋友可能会澄清这些混乱。她放下杯子,胆怯地问道:“光是由波,还是由粒子组成的呢?”“是的,完全是这样。”帽匠回答道。爱丽丝有些恼火,提高声音问道:“我重复一下我的问题:光是粒子还是波?答案是什么呢?”“是这样的。”帽匠回答。
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欢迎来到乐趣屋,这儿是疯狂、混乱的量子世界,不确定法则和一切都无法感知。
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部分地回答爱丽丝
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牛顿认为光线是由一束微小的粒子组成的,几乎类似于从机枪中快速射出的小子弹。虽然这个理论几乎是全盘错误的,但它巧妙地解释了光的许多性质。直到1865年,苏格兰数学家和物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦彻底怀疑牛顿的子弹理论。他证明光是由波——电磁波组成的。麦克斯韦建造的大厦惊人地坚固,不久就成为一个普遍接受的理论。
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麦克斯韦指出,当电荷运动时,例如电线中电子的振动,运动电荷将导致波浪般的扰动,非常类似于在池塘中摆动手指所引起的波浪。
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光波是由电磁场组成的,和带电粒子、导线中电流和普通磁铁周围的场完全一样。当电荷和电流振动时,发出的波在真空中以光速传播。事实上,当你把一束光射向两条狭缝时,你可以发现由波的叠加所形成的清晰的干涉图样。
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麦克斯韦的理论甚至可以说明光为什么是五颜六色的。波由波长所表征,波长是从一个波峰到相邻波峰的距离。这里有两列波,第一列波的波长要比第二列长。
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