中科院格致论道讲坛 622

教你如何正确地穿越 | 北师大物理写张宏宝 (24:49)

发布时间: 2017-04-01 16:27:08

  • 出品：中国科普博览 SELF格致论道讲坛导语：引力、量子、纠缠……这些词到底是什么意思？黑洞居然也有单身和恋爱的不同状态？怎么做才能穿越时空？来自北京师范大学物理系的张宏宝说：“这个世界太复杂了，物理学家希望找到这样一个原理，把它握在手里，便可以鸟瞰整个世界，因此对这个世界会有安全感，这就是一个物理学家的信仰。”---嘉宾介绍---张宏宝北京师范大学物理系相对论与全息引力研究者演讲实录：我今天要告诉大家的是，在基础物理里面最前沿的，是我们对这个世界的认识。要展开这个演讲，我不知道我能够怎样去和诸位有一个很好的互动，但是我将尽我最大的努力，去和大家分享我们基础物理学家在这个领域最新的对世界的认识。我们知道一件事情是什么，我们知道的一件事情，也许我首先忘记这里的一首诗，我只想说整个物理学是联系在一起的。也许你可以在一粒沙里面，可以看到整个世界，通过一棵花可以看到天堂。而物理学有一件非常非常重要的事情是什么，我希望有一个基本原理，有这样一个原理，我可以有这样的原理握在手里 ，这样我可以鸟瞰整个世界，这样我会非常有安全感。否则这个世界太复杂了，这是一个大千的，这是一个繁华的世界，我想了解它，怎么去了解它？我们物理学家希望有一个第一性的原理，有了这第一性的原理，我原则上是完全可以掌控这个世界的，因此我对这个世界会有一种安全感。下面进入到整个故事的真正讨论。我们知道其实你也好、我也好，都是在人生中的一个演员，但是我们这样一个演员不能够离开时间和空间，比如说我们要和某一个人约会的话，说我们在哪里？比如在北京在海淀少年宫，我们在这里约会下午三点，我们需要一个时间和空间，其实时间和空间提供我们进行表演的整个一个舞台。你和我，只不过是这个舞台的一个演员而已。而物理学家特别看到的一件事情是什么？我们就能够把这个世界分成两部分，一部分是所谓的时间和空间，我们今天的物理学家把它称之为时空，把它们连在一起叫时空，另外一部分是一些物质，像我，我当然也是一些物质构成的，大家也许听说过原子等等构成的，我们是一些物质，我们就是时空里面的演员。今天我要讲的一件事情是什么，其实无论是时空也好，还是你和。我也好，都是来自于宇宙的大爆炸。今天很多人都能够知道这样一个事实，我特别想说的一件事情是什么，我们怎么通过大爆炸，一下就产生了很多的物质，时间和空间一下子产生了。对这样一个问题，今天的物理学家有了最新的一些研究进展，我希望借助这非常短的时间 和大家分享这一非常前沿的进展。下面谈这样的问题最终的主题是什么？我要声明这样一件事情——是因为纠缠。是因为你和我之间一种千丝万缕的纠缠产生出时间和空间，他们通过这样一种方式而产生。另外，最重要的，我还要说一个故事——真爱真的可以创造奇迹。因为物理学、基础物理，它的确可以创造出非常非常美妙的奇迹。 对我来说，我待会儿会告诉大家，它是一个怎样的奇迹。这里涉及到物理学里面一个教父式的人物爱因斯坦。我首先必须要告诉大家什么是时间，什么是空间，我们今天物理学家对时间和空间的认识到底达到了什么样的一种状态。在牛顿的时候他觉得时间是绝对的。一个人静止在这里，我这么站着，我感受到的时间和一个人运动。比如从这边走，然后再走回来，和我站在这里的人相遇了。两个人如果看一下手表，原来这哥们是10点钟离开的。在他11点回来的时候，我和他对一下我们的手表，发现都是11点。这个时间是绝对的，不依赖于一个人。是这么运动着再走回来？还是我一直静止在这里，这是牛顿对于时间的一种认识。但是爱因斯坦对时间的看法完全不一样。爱因斯坦说，当你这么走，再回来，你的时间和我站在这里的时间是不一样的。这个人走了一圈再回来，他所用的时间要比我在这里用的时间更短。 想象一下的话，假定我的双胞胎兄弟离开了地球去外面游走了一番然后再回来，可能我这个时候已经变得很老了，但是我那个兄弟却还是一个小孩。这就是相对论给我们带来的时间上的一种非常大的冲击。对爱因斯坦来说，有没有一个绝对的东西，你觉得时间是相对的；有没有一个绝对的东西，有一个绝对的东西这个绝对的东西就不再只是一个时间这样的东西了，而是时间和空间连在一起，我们称之为时空这样的一个东西，这是我想表达的一件事。但是爱因斯坦不仅仅只是停留在这里。他最终要把这个时间和空间，和引力就是重力统一在一起，最终告诉你引力并不是一种力。牛顿是怎么看这个事情的呢？他觉得大家可能都听说过一件事情，有个质量的物体在这儿，有个质量的物体在那儿，他们之间会有一种吸引力，这个吸引力是万有的，只要你有质量，它们就会有吸引力，这种吸引力就是以这样的一个关系展现在这里。但是爱因斯坦对这件事情的看法和牛顿完全不一样，他的看法是说，假定我站在这里，另外一个人站在那里 ，因为我和他都有质量 ，所以我和他之间有一种吸引力我和他会慢慢的靠近，因为我和你之间有吸引力，所以说原则上会慢慢的靠近。爱因斯坦说这件事情表现的是这块的时间和空间被弯曲了，被扭曲了。比如我们同学学过初中几何的话，我们知道，两条平行线，一开始平行的线它们永远的不会相交，一直走下去一直走下去，但是这只是平坦的空间，也就是这个空间是平坦的，是欧基米德的空间。但是如果说你给我们一个球，我们知道我们的地球是弯曲的，会发现所有的经线其实是平行的。它们在赤道的时候是平行的，都是和赤道是呈90度的夹角。但是这样的经线走着走着，它们最终在北极的时候汇聚了。这个汇聚根本的原因是什么？因为球面本身是弯曲的。爱因斯坦说，我和你之间如果没有引力、重力的话，我们这块的时空是平坦的。 因此，我和你只能永远的相望于江湖。一开始我和你是相对静止的，我和你是平行的，我们永远只能够是相望于江湖。但是，因为重力，因为万有引力 ，我和你造成了这块时空的弯曲 ，因为这块时空弯曲了。 一开始尽管我和你是相对静止，但是最终我们会在某一个时刻汇聚在这里。最终的结论就是说引力表现为时空的一种弯曲，这是爱因斯坦非常充满真知卓见的一个看法。它只是表现为时空的弯曲，一旦有了这样的一个观念，在弯曲的时空里面，有一类非常非常特别的时空， 这个时空我们通常称之为——黑洞。黑洞它会造成特别重要的一件事情。假定我这一块时空是平坦的话，我在这块发一束光过去，你在这块发一束光过去，这两处光会平行的走。但如果是在一个由黑洞造成的弯曲的时空里，你会发现这一块发出来的光线一开始是平行的，慢慢的有的会分开，有的会汇聚，因为黑洞这块引力是如此之强，以至于光怎么发也发不出去 ，这个是爱因斯坦的理论所预言的一个东西。接下来我要说另外一个事情，黑洞其实有两种黑洞。一种我称之为是单身的黑洞。假定现在我们的太阳还有50亿年的生命，如果说它的质量稍微大一点，它最终会燃烧完，坍缩成一个黑洞，这是一个不可避免的坍缩。坍缩成黑洞之后，里面的光怎么也出不来，这是我们为什么称它为黑洞的根本的原因。我之所以能够看见你，是因为你在那里发的光并不是你发的光所反射的光到达我眼里，但是在黑洞里面的光怎么也出不来，因此我看到那一块是黑的。现在有一个非常重要的事情，通常比如我说了一个恒星，这个恒星在太阳那里很大很大，在我们物理学家它不过在我们手里，我们觉得有一个恒星在这里。然后它最终会摊缩坍缩，最终会形成Black hole，形成黑洞，这是通常我们称之为是单身的黑洞。但是我们物理学家发现，还有另外一种黑洞，这种黑洞其实是处在恋爱中的黑洞，为什么我称之为这个是处在恋爱中的黑洞？这样的一幅图，这两个黑洞粘在一起了，以一种非常非常光滑的方式，没有任何摩擦的方式，这个婚姻非常的好，这个爱情关系很好，很完美。接下来我要说的一件事情是关于时空的一个东西。时空，我谈的是时间和空间弯曲的， 弯曲的时间和空间这样一个事情。接下来我要谈一点物质的东西。物质的东西我不能够谈一些经典的东西，我要谈一点量子。这里有一个问题是什么，两个光滑的黑洞之间，其实一开始它们亲吻在一起，然后你会发现随着时间，它们之间慢慢分开，这个中间是什么？这中间是虫洞，也就是随着时间，它们之间的距离越来越远，越来越远，这就是虫洞。接下来我要说一点量子。量子更奇妙，现在我要谈一点量子力学。什么是量子力学？我这里还有另外一个东西，这是iPhone，这个iPhone是我表哥送我的，他用完了他又升级了，所以把这个iPhone给我。谁都看出这是一个iPhone，但是现在当我进入到量子力学的世界里面，这一款手机就不确定了。我首先把这款手机捂住，有时打开它，它是iPhone，有时打开它，它是小米，有时再打开它，它又是iPhone，有时打开它，它又是小米。就是说在你没有打开之前，你不知道它处在什么状态。就这样的一个东西它处在小米和iPhone叠加的状态，不只是处在iPhone的状态，不只是处在小米的状态，是处在iPhone和小米的叠加的状态。当然，能不能打开它，也许很依赖你的人品。如果你的人品足够好，一摸是iPhone，如果人品差一点的话，一摸，比小米可能还次的一种东西。这就是量子力学。你可以把这两个状态叠加在一起，它依然是一种状态。正是因为这种叠加造成了不确定性。所以说我想声明一件事情，就是我们人其实是量子的。我们过去有一种说法说，性本善，还是性本恶，这是你在经典的世界里面看人性。对我来说一个物理学家，一个量子的物理学家，我看这个世界我看人性的话，是站在量子上看，也就是说人性其实是量子，不能问本善或者是本恶，是处在善和恶的叠加态，既是天使，也是魔鬼，主要看人品，这就是量子力学。但是我要想把量子力学再推到一个更进一步的一个（状态），这还不够离奇，我要走的更远，我得拿起我的激光笔，还是量子力学的态叠加原理和纠缠的这种微妙的地方。什么叫纠缠？就是我和你，可以相隔千山万水，但是我和你却心有灵犀。你快乐，我便快乐。你伤心，我便伤心。这是爱情的一种状态，这就是纠缠。假定这个时候你肚子饿了，我也会感到很饿。你觉得你吃多了，我也觉得我吃撑了。这就是距离很远，但是我和你之间是处在叠加的、纠缠的状态，也是量子力学的世界里面可以给你这样的东西，这就是纠缠。接下来我要说的一件事情是什么，我想说，我们整个这个世界是处在非常非常纠缠的一个状态，也就是说我说这件事情是什么，我们看上去这个虚无的真空 什么都没有的这个地方充满了一些纠缠，到处充满，这里突然冒出来一个东西，你肉眼是看不见的。这边突然冒出来一个东西，这边和这边是纠缠在一起的，正是因为纠缠才导致虚空多一种非常光滑的存在。我可以在这里自由的穿行，如果说没有这种纠缠，就没法从这里走到这里。我会处处碰壁，只能站在这里，没法回头。因此真空并不空，它们是纠缠在一起的。我要说的是，因为纠缠所以相通。如果说这边和这边没有纠缠的话，你会发现，你只能走到那里，突然走不过去了。但是如果纠缠在一起，可以穿过去，因此这里通常有这样的一幅图，这里大概是纠缠的意思。因为纠缠在一起，就是你高兴，我就高兴，你不高兴，我就不高兴，所以导致我和你之间是相通的。特别在这里我要回到这样的一种景象，这是什么样的一种景象呢，现在牛郎和织女，因为王母娘娘，因为恶势力、传统的力量，导致了牛郎和织女不止是相隔万里，是相隔14亿光年，如此之远。有的人也许说，没有关系，我是学过相对论的，学过相对论的话，你可以坐宇宙飞船。尽管我们隔这么远，牛郎和织女只要他们制造出宇宙飞船，它飞得足够快，他们依然可以相见的。但是王母娘娘太坏了，她深刻地知道一件事情，我们的宇宙现在不仅仅是在膨胀，我们的宇宙什么叫做膨胀，就不断的生出来很多新的空间，我们的宇宙在膨胀，不仅仅是在膨胀，而且是以一种加速的方式在膨胀。这意味着什么？假定这边是牛郎，这边是织女，那么就有个问题了，他们一直想飞过来，他们想相遇，但是当他飞到这里来的时候，这中间他们的距离被拉长了。当他走到这里的时候，他们之间的距离又被拉长了，所以他们永远不会相见，所以王母娘娘太坏了，她很懂物理。但是非常遗憾的是，她不懂量子力学。作为一个物理学家看到这样的景象，当然是伸出手来了，因为我们深深知道一件事情，牛郎和织女是真的相爱，他们的定情信物都纠缠在一起，不只是他们纠缠在一起。尽管他们的距离相隔14亿光年或者13亿光年，不管多远对我来说，对于一个量子物理学家来说，这没有关系。请你们分别拿出你们的定情信物，牛郎的定情信物在这儿，织女的定情信物在这儿，让这个定情信物坍缩，坍缩，要求你们把它坍缩成黑洞，如果说这两个黑洞没有纠缠的话，这个黑洞和这个黑洞的距离仍然是13亿光年或者14亿光年。但是非常非常重要的一件事情，因为这两个定情信物原来是纠缠在一起的，所以最终导致这两个黑洞也是纠缠在一起的，因为纠缠所以相通。所以说，特别重要的一件事情，这两个黑洞一旦产生之后，它们就轻轻的吻了一下，它们这个黑洞通过这样的虫洞，在中间打开了一个时空的隧道，这个时空的隧道，是因为他们之间的爱情。因为是真的爱情，真的纠缠在一起 而产生的这种新的时空，这个新的虫洞，完全是因为他们的纠缠而产生的 。如果没有纠缠不可能有这个时空的隧道，这是我特别强调给大家的。一旦你有这样的一个认识，这个事情就好办了。通常物理学家会有这样的一个景象在这里，景象是什么？这假定是牛郎，英文名字叫Bob，织女叫Alice，他们创造了这样一个黑洞，因为他们是因为这个虫洞连在一起，沿着时间的方向，他们可以纷纷跳到黑洞里面去。他们足够有勇气，通常人跳到黑洞里面去就再也出不来了，可能孤独一生，但是没有关系对他们来说，只要相爱就OK了。他们纷纷跳到黑洞里面去，他们在黑洞里面相拥而抱，也许只抱了1秒钟，但这个已经足够了，对两个真正相爱的人来说足够了。接下来的命运是什么，他们将触摸到这个时空的奇点，也就意味着他们将被这个时空的奇点那一块将被撕的粉身碎骨。这也没有关系，但是对于一个物理学家，看到这样的一个悲剧发生，也是不愿意看到的。我们做另外一个手脚，我说这只是对不转动的黑洞，如果这个黑洞不转动的话，最终的命运结局就是这样的。但是如果说我们让它这个黑洞转起来自转起来，这边的黑洞也转起来，那么最终看到的景象大体是这样的景象。也就是说他们虽然掉到黑洞里面去，他们不会被奇点处撕得粉身碎骨，会穿到另外一个新的宇宙。他们会完全穿到另外一个新的宇宙，这是属于他们的世外桃源。为什么能够做到这一点，我想说，只是因为爱情，所以才会发生这样的奇迹。这是我今天想告诉大家的故事，这是一个真实的故事，是你完全可以做到的故事，不是科幻是硬科学，谢谢！“SELF格致论道”是中国科学院全力推出、中国科普博览承办的科学讲坛，致力于精英思想的跨界传播，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办。登陆“SELF格致论道”官方网站、关注微信公众号“SELF格致论道讲坛”、微博“SELF格致论道”获取更多信息。更多合作与SELF工作组[email protected]联系。