正文 第十四章 時間到底是什麼(二)(2 / 3)

我們總是細致地畫出我們的時空圖,使得光線沿著與豎直方向傾斜45°的直線傳播。這樣畫的直接好處是,它可以告訴你在時間和空間中你能到哪裏而不能到哪裏。隨著時間的流逝,你隻須從容地從左向右移動。你的速度要比光速小。因為這樣的旅行是被時間的流逝支配的,所以叫做類時旅程。

但是,我們現在再看旅程。這條路徑對於豎直方向的傾斜角恰好是45°。你必須每秒走過30萬千米,你的速度必須和光速一樣快。所以,這種旅程就叫做類光旅程。

最後,路徑對豎直方向的傾斜角大於45°。你必須得在一段極短的時間間隔裏穿越一段巨大的距離。你的速度必須得比光速快。這種類型的旅行所走過的路程就叫做類空旅程。它是被嚴格禁止的。的確可以證明,如果允許出現類空旅程,則客觀實在就從根本上變得荒謬了。

廣義相對論包含的基本思想就是,引力使得四維時空彎曲。形象地想象出彎曲的四維時空,當然得有超人的天資。所以,科學家們想出了一些巧妙的竅門和捷徑,來幫助我們理解引力是如何起作用的。

設想有一顆像太陽這樣的恒星,由於它具有巨大的質量,因而周圍存在著強大的引力場。譬如說,一個在地球上重150磅(1磅=0.4536千克)的人,在太陽上他將重達4200磅。這是由於太陽周圍的時空比地球周圍的時空彎曲得更加厲害的緣故。

現在我們做這樣一個設想,從這顆恒星周圍的四維時空中切割出來一片空間的二維葉。對於直觀想象和理解二維表麵,你當然不會有什麼困難,在你說到地板是平的或者足球表麵是彎曲的時候,你當然確切地知道說的是什麼意思。所以,通過對這個二維曲麵(專業術語稱作類空超役曲麵)的觀察,你就在引力對彎曲的四維時空的空間部分不產生了什麼作用方麵得到了感性認識。

這種獲取類空超曲麵的方法,跟切開一塊蛋糕來觀察其中各層和各種填料怎樣排列的辦法類似。所示的一張二維曲麵,就是從像太陽這樣的一顆恒星周圍的彎曲四維時空抽取出來的。這類曲線圖形叫做嵌入圖。你會注意到,在遠離太陽的地方,由於引力微弱,所以空間是平坦的。你會發現貼近恒星表麵處的引力最強,那兒的曲率也是最顯著的。

在愛因斯坦初次闡述他的理論時,曾提出一個可以驗證他的思想的觀測。他推想到,由於太陽附近的空間本身是彎曲的,所以當光束在太陽表麵附近通過時,應該偏離通常的直線路徑。其結果,在太陽圓麵附近所看到的星象,應當稍為偏離它們的通常位置。

愛因斯坦的預言,在1919年5月的日全食中得到々人鼓舞的證實。在月球完全擋住太陽耀眼的圓麵時這個可貴的全食時刻,天文學家們拍攝下來太陽附近的恒星照片,發現這些恒星確實偏離了原來的位置,自那時起60多年來,經過仔細認真地反複做上述觀測和其他許多有關實驗,人們已經堅定不移地認為,廣義相對論是人類至今所取得的對引力最準確、最完善、最優美和最精密的描述。

在利用嵌入圖揭示出引力對彎曲四維時空的空間部分所產生的作用後,你可能還想知道它對時間部分產生什麼作用。廣義相對論預言,引力使時間變慢。離開一切引力源很遠的遙遠空間,時空是平坦的,鍾表按照它們正常的速率運轉著。但是當你接近一個很強的引力源時,就是走進廠引力曲率不斷增大的區域,這時你的手表就比往常走得緩慢了。當然,這種效應你是覺察不到的,那是因為,就連你的心髒跳動節律,你的新陳代謝速率,甚至你頭腦中的思維過程的速度,也由於與你的手表完全相同的因素緩慢下來了。你隻有在同停留在平坦時空中的人進行通訊聯係時,才能發覺這種時間變慢的現象,因為那裏的時間仍以正常的速率流逝。

應該著重指出地是,太陽對光線的引力偏折,以及像地球這樣的天體附近的時間變慢等現象,是很不容易檢測到的。必須在日全食時極其精確地測定恒星位置,才能覺察到發生了什麼異常現象。直到1960年,即愛因斯坦逝世5年後,情況才有了轉機,那時科學家們製造出了靈敏度很高的時鍾,它足以檢測出建在地球上的高樓底層與高層之間時間變慢的現象。

那麼,為什麼要拿廣義相對論來找麻煩呢?正當牛頓在17世紀就建立起來的老式觀念(引力是一種“力”)在幾乎一切情況下都能給出很高精確度的時候,為什麼要去領受牽涉到彎曲四維時空的繁複計算的極度煩惱呢?要知道,牛頓引力的數學描述要比愛因斯坦的簡單得多。甚至當我們派遣宇航員登月或向行星發射空間飛行器時,在計算軌道和軌跡中,經典的牛頓理論仍能運用得很好。

直到最近,還沒有人當真相信宇宙間可能存在著時空被極度彎曲的地方。太陽或行星附近、恒星和星係周圍,引力都相當微弱,因而時空隻是稍有彎曲,這就是為什麼牛頓的老式觀念在許多情況下都能很好地運用的緣故。在弱引力場中,拿力的作用來代替彎曲時空的作用是合理的。在本世紀60年代,天文學家們終於在理解恒星的生命周期問題上開始取得重大進展。這種理解清楚地闡明了,走向死亡的大質量恒星在勢不可擋的引力作用下所發生的大災變式的爆發現象。在一顆這樣的大質量垂死恒星的周圍,引力不再是微弱的了。實際上,這裏的時空曲率變得如此嚴重,以致使這顆注定死亡的恒星竟從我們的宇宙分離出去,身後隻在宇宙裏留下一個空洞。

時間有無開頭和終結

時間的開頭和終結是什麼意思?宇宙是無限的還是有限的?你所說的宇宙又指什麼?這些問題解決了,第三個問題的答案也就清楚了。

時間是物質運動和變化的一種形式。問時間有無開頭和終結,相當於問物質的運動和變化有無開頭和終結。事實上,許多世紀以來,這個問題一直強烈地吸引著人們,從奧古斯汀到康德,他們都曾有過論述。到了近代,隨著數學、物理學和天文學的發展,這些問題又被某些自然科學家賦予了新的可說是稀奇古怪的形式。為方便起見,讓我們先從“時間的終結”談起。

在很久以前,自信解開了時間單向性之謎的玻爾茲曼又從熱力學原理出發,把宇宙的終結(因而也就是時間的終結)設想成為整個宇宙達到最大熵的階段。他推想,在將來某個不確定的時候,宇宙間將沒有什麼東西會比另外一些東西更冷或者更熱,最慢的放射性元素都將衰變為穩定元素,恒星會輻射完它們的能量,使嚴寒的星際空間一部分一部分地變暖起來。地球及其姐妹星月球的旋轉會由於宇宙塵埃的摩擦而減慢,最終將脫離其軌道而掉向太陽,人類本身也便隨之毀滅。在“燒盡”了的宇宙之中便不再有賴以觀測和測量時間的物質運動。在這個時候,時間將達到終結,這就是所謂的“熱寂說”。

那麼,“這個時候”究竟在什麼時候到來呢?

玻爾茲曼本人沒有給出具體期限。後來,支持他的學術觀點的物理學家計算了鉛的衰變周期。