如何 造 一台 时间机器 ？黑洞 、白洞 和 虫 洞 如何 帮 我们 回到 过去？ How to build a time machine? How can black holes, white holes and wormholes help us go back in time?

各位 同学 大家 好 我 是 李永乐 老师 最近 《 复联 4》 上映 了 人们 为了 从灭 霸 手中 拯救 世界 就 再 一次 时空 穿越 了 有 小朋友 就 问 我 说 时空 穿越 这 事 到底 靠 谱 不靠 谱 呢 如何 能 制造 一个 时间机器 呢 今天 我们 就 来 讨论一下 这个 问题 时间机器 那么 为了 讨论 时间机器 显而易见 我们 还是 得 从 爱因斯坦 的 相对论 说起 我们 首先 讨论一下 爱因斯坦 爱因斯坦 这个 人 他 在 上 大学 的 时候 逃 了 不少 课 所以 他 的 数学老师 闵可 夫斯基 就 整天 怒斥 他 特别 懒 后来 毕业 了 之后 也 找 不到 工作 好不容易 找到 一个 小 职员 的 工作 就是 在 一个 专利局 对 吧 结果 没想到 在 1905 年 的 时候 爱因斯坦 突然 之间 就 爆猛 了 Einstein suddenly exploded 这 原因 也 不 知道 怎么回事 1905 年 被 称为 爱因斯坦 奇迹 年 连续 发表 了 六篇 论文 其中 有 一篇 就是 《 狭义 相对论 》 这个 狭义 相对论 指 的 是 什么 呢 爱因斯坦 在 这 里面 提出 一个 观点 就是说 时间 并 不是 永恒 流逝 的 时间 这个 概念 它 实际上 是 和 物体 的 运动 速度 是 有 关系 的 如果 你 速度快 一点 的话 你 就 会 感觉 到 时间 流淌 变慢 了 这 事 我们 打个比方 就 好像 说 牛顿 时空观 里面 认为 什么 呢 认为 一条 河流 这是 时间 的 河流 这个 时间 的 河流 里面 所有 的 人 都 跟着 河流 一起 往前走 但是 爱因斯坦 说 不是 说 这个 是因为 你 游得 不够 快 你 如果 游 的 速度 接近 光速 你 就 会 发现 这个 河流 的 速度 就 变 了 这 就是 狭义 相对论 告诉 我们 的 内容 但是 爱因斯坦 并 不是 满足 于 他 的 这个 成就 在 1915 年 也 就是 狭义 相对论 十年 之后 爱因斯坦 再次 提出 了 《 广义 相对论 》 那么 广义 相对论 它 的 内涵 就 比 狭义 相对论 要 深 的 多 了 广义 相对论 他 说 什么 呢 他 说 时空 不仅仅 是 跟 速度 相关 它 还 跟 这个 空间 内部 的 这些 物质 跟 这个 物质 是 相关 的 如果 有 一个 物体 它 的 质量 特别 大 它 就 会 对 时空 产生 影响 那么 这个 时空 就 会 被 这个 物质 进行 弯曲 说 这个 时空 弯曲 这个 概念 我们 可能 经常 听说 到底 是 什么 意思 我们 这么 理解 它 比如说 在 一个 平面 内 有 一个 直角三角形 直角三角形 的 三个 顶点 叫 A B C 对边 叫 a b 和 c 我们 知道 根据 勾股定理 应该 有 这么 一个 结论 叫 a^2+b^2=c^2 那 我们 就 可以 认为 这个 空间 它 就是 一个 欧式 的 平直 空间 它 是 一个 平直 的 空间 这 也 就 符合 牛顿 的 时空观 牛顿 就 认为 空间 就是 平直 的 说 空间 平直 怎么样 呢 这个 物体 在 不受 外力 的 时候 会 怎么 运动 我们 上 初中 都 学过 物体 不 受 外力 的 时候 会 匀速直线 运动 为什么 呢 因为 在 平直 的 空间 里面 直线 是 最 短 的 对 不 对 所以 物体 就 会 沿着 这个 直线 就 往前走 这 就是 牛顿 的 时空观 但是 爱因斯坦 的 时空观 就 不是 这样 他 说 我们 可以 打 这么 一个 比方 这是 一个 球 有 一个 球面 球面 上 有 两个 点 A 和 B 这个 时候 我 问 说 从 A 到 B 的 最 短路线 是 什么 呢 可能 有 同学 说 从 A 到 B 的 最 短路线 那 就 是从 A 打个 洞 到 B 这 不行 我 就 说 就 在 这个 球面 上 你 怎么 走 最 短 人们 经过 数学计算 发现 球面 上 怎么 走 最 短 呢 是 这样 的 我们 把 圆心 O 和 A B 以 圆心 O 为 圆心 然后 做 一个 圆 这个 圆 能够 过 A B 这个 就 叫 球 上 的 大圆 而 这个 大圆 上 比较 短 的 这 一段 弧 叫 大圆 劣弧 它 的 长度 就 叫 AB 的 最近 距离 我们 用 一个 术语 来说 这个 叫测 地线 测 地线 相当于 是 平直 空间 中 的 直线 好 假如 在 这个 球面 上 不 只有 两个 点 而是 有 三个 点 这 三个 点 分别 是 A B C 在 这个 球面 上 然后 我们 画出 两条 测 地线 BC 和 AC 来 我 还 可以 使得 BC 和 AC 之间 夹 直角 它们 三个 对 的 边 分别 还是 a b 和 c 你 就 会 发现 它 貌似 构成 了 一个 球面 上 的 直角三角形 但是 这个 直角三角形 它 的 a^2+b^2 可 就 不 等于 c^2 了 这种 情况 下 我们 就 称之为 这个 空间 是 弯曲 的 空间 是 弯曲 的 这个 空间 就是 爱因斯坦 的 时空观 而且 这个 弯曲 空间 的 这个 平面 并 不 只是 空间 它 是 时空 是 四维 的 三维空间 加上 一个 时间轴 是 一个 时空 这个 时空 面 它 是 弯曲 的 这 就是 所谓 明闵 可 夫斯基 四维时空 那么 在 这个 四维时空 下 物体 的 惯性 运动 就是 沿着 测 地线 运动 也 就是 沿着 这个 时 空中 的 最 短 路径 进行 运动 而且 空间 中 的 物质 分布 会 影响 到 这个 时空 曲率 就 会 影响 到 这个 弯曲 的 程度 举个 例子 我们 都 知道 看过 这样 一张 图 说 这 张图 这 是 什么 意思 这是 一个 时空 平面 时空 面 也就是说 它 实际上 每 一个点 都 包含 了 四个 坐标 每 一个点 包含 了 三维 时空 x y z 还 包含 什么 呢 一个 时间 t 每 一个点 都 是 这样 就是 个 时空 面 本来 时空 面是 平直 的 都 符合 欧式 空间 的 这个 特点 但是 假如 说 在 时空 面上 有 一个 很大 质量 的 天体 比如说 太阳 那么 这个 太阳 会 怎么样 就 会 造成 这个 时空 的 弯曲 也就是说 这个 时空 面 它 就 变成 了 一个 球面 了 就 不是 欧式 的 了 就 变成 了 这个 样子 的 变成 了 一个 球面 它 就 弯 了 弯 了 之后 比如说 有个 地球 那 地球 凭借 惯性 在 运动 地球 怎么 运动 呢 地球 就 会 做 一个 测 地线 运动 这 就是 地球 而 它 所 走 的 这个 曲线 我们 就 称之为 测 地线 也 就 相当于 是 那个 圆上 的 最 短距离 叫测 地线 只不过 这个 测 地线 它 并 不是 空间 的 最 短距离 它 是 时空 上 的 最 短距离 叫测 地线 大家 可以 看出 牛顿 的 时空观 和 爱因斯坦 时空观 的 不同 对 吧 牛顿 的 时空观 也 是 直线运动 爱因斯坦 也 是 直线运动 只不过 牛顿 他 是 在 一个 平直 空间 的 直线运动 而 这个 爱因斯坦 他 认为 这个 物体 是 在 一个 曲面 上 的 运动 而且 这个 曲面 的 曲率 是 跟 物体 的 质量 分布 有关 的 质量 分布 不 一样 会 影响 到 它 的 结果 爱因斯坦 他 在 广义 相对论 里面 提出 的 一个 著名 的 方程 就是 引力场 方程 这个 引力场 方程 非常复杂 咱们 就 不 写 了 但是 很多 人 尝试 着 去 解 引力场 方程 就 解出 了 很多 奇奇怪怪 的 解 那么 下面 我们 来 讨论一下 广义 相对论 的 解 广义 相对论 它 是 一个 二阶 非线性 的 张量 方程 这个 广义 相对论 它 有 很多 组解 This general theory of relativity has many solutions 虽然 解 起来 不是 很 方便 但是 很多 科学家 前仆后继 的 去 解 它 比如说 最 著名 的 一个 解 就是 黑洞 了 对 吧 我们 通过 史瓦西 通过 广义 相对论 解出 了 黑洞 这么 一个 解 人们 还 解出 什么 宇宙 膨胀 宇宙 大 爆炸 等等 一些 结论 是 吧 还有 预测 了 引力波 之类 的 那么 现在 我们 就 想 哪些 结论 是 跟 我们 这个 时间机器 相关 的 呢 有 这么 几个 比如说 有 一个 科学家 叫 哥德尔 也 就是 哥德尔 不 完备 定理 那个 人 著名 的 数学 逻辑学家 哥德尔 在 1949 年 的 时候 解出 了 一个 解 我们 称之为 哥德尔 宇宙 We call it the Godel universe 这 哥德尔 宇宙 是 一个 什么样 的 宇宙 呢 它 是 一个 在 不 膨胀 … 我们 现在 认为 宇宙 是 膨胀 的 但是 哥德尔 这个 解 它 是 不 膨胀 的 它 不 膨胀 它 也 满足 这个 广义 相对论 那个 方程 那个 引力场 方程 它 不 膨胀 而且 它 还是 一个 高速旋转 的 这么 一个 宇宙 那么 这种 宇宙 它 有 什么 特点 呢 因为 它 高速旋转 就 会 引起 时空 的 强烈 扭曲 所以 在 这个 宇宙 中 我们 画 一个 物体 的 运动 我们 横坐标 认为 是 这个 物体 的 空间 坐标 纵坐标 我们 认为 是 它 的 时间 坐标 那 这个 物体 如果 沿 直线 走 怎么 走 它 应该 是 这样 的 对 吧 这个 是 个 物体 A 那么 物体 B 它 可能 一会 往前走 一会 往后走 有 可能 是 这样 的 一会 往前 一会 往后 … 但是 你 会 发现 A 和 B 不管 是 空间 上 怎么 走 它 时间 上 都 是 往前 的 不过 哥德尔 宇宙 允许 存在 这样 的 一个 轨迹 就是 有 一个 物体 C 它 这样 运动 大家 看 这样 运动会 出现 什么 问题 出现 的 问题 就是 你 从 这个 点 出发 折腾 了 一圈 之后 怎么样 你 又 回到 了 这个 点 而 这个 点 它 是 一个 时空点 你 要是 回到 这个 点 就 说明 你 不光 空间 位置 回去 了 你 时间 上 也 回去 了 这个 事儿 我们 就 称之为 时间 闭环 有 的 时间 闭环 就 可以 时空旅行 了 你 想 我活 了 一辈子 我活 了 一百多年 然后 我 最后 快 死 的 时候 我 发现 我 还 在 我 那个 医院 还是 给 我 接生 那些 医生 I'm still in my hospital or the doctors who delivered me 结果 有 一个 我 呱呱坠地 了 对 不 对 这 就 叫 时空 闭环 所以 如果 在 哥德尔 宇宙 中 就 可以 进行 时空旅行 了 但是 很 遗憾 我们 的 宇宙 观测 是 不 满足 哥德尔 宇宙 这个 模型 的 所以 也许 我们 的 宇宙 不是 哥德尔 宇宙 但是 说不定 外边 太空 有 一个 宇宙 就是 哥德尔 宇宙 对 吧 外星人 就 可以 随便 穿越 时间 这 也 说不定 我们 再 来看 另外 一个 解 另外 一个 人 名字 叫梯 普勒 这个 梯普勒 他 提出 了 一个 叫梯 普勒 圆柱 的 概念 他 说 我们 在 我们 的 时空 里边 有没有 可能 穿越 时间 呢 也 有 可能 只要 你造 一个 无限 长 的 柱体 这有 一个 柱体 这个 柱体 它 是 无限 长 的 它 无限 长 不仅仅 无限 长 而且 它 密度 还 无限大 而且 它 的 密度 还是 很大 的 密度 还是 很大 的 然后 让 这个 圆柱 绕 着 中间 这个 轴 让 它 旋转 在 转 的 过程 中 它 就 会 造成 周围 空间 的 扭曲 所以 当 一个 人 在 它 附近 的 时候 他 就 会 感觉 到 这个 时间 不对劲 了 时间 被 它 带到 过去 去 了 然后 你 再 离开 这个 圆柱 你 就 发现 你 穿越 了 所以 通过 梯普勒 圆柱 这种 方法 也 可以 实现 时空 穿越 那 有人 说 那 好 吧 我们 造 一个 柱子 好 了 问题 是 这个 柱子 必须 是 无限 长 而且 密度 非常 非常 大 对 吧 你 要 把 很多很多 像 太阳 那么 大 的 质量 拿 过来 造 这么 一根 圆柱 这个 事 也 是 非常 困难 的 对 吧 那 理论 上 好像 是 有 可能 的 那么 我们 能 不能 在 我们 的 宇宙 中 用 有限 的 质量 就 造出 一个 可以 穿越时空 的 东西 很 遗憾 有 一个 人 名字 叫 霍金 这个 霍金 他 是 研究 黑洞 著称 的 按说 他 喜欢 这些 奇奇怪怪 的 玩意儿 对 吧 但是 霍金 却说 如果 你 在 有限 的 区域 内 你 在 有限 的 空间 内 然后 这个 能量 还是 处处 非负 的 这个 宇宙 能量 是非 负 的 在 这样 的 情况 下 你 说 如果 你 要 想 造出 一个 时间机器 来 你 想造 时间机器 能 不能 行 呢 如果 你造 的 出来 你 就 势必会 造 出 一个 时空 的 奇点 来 我们 知道 奇点 这 玩意 是 我们 非常 不 喜欢 的 因为 在 奇点 上 任何 物理 规律 都 失效 了 所以 我们 要 尽量避免 奇点 的 出现 那 你 现在 想造 一个 有限 空间 内 的 时间机器 结果 你 发现 它 出现 奇点 那 这 不 就 完蛋 了 吗 不过 科学家 们 又 去 想 你 这里 边 数学 解 里边 有 三个 条件 有限 空间 时间机器 还有 一个 叫 能量 非负 真空 能量 就是 零 那 你 能 不能 比 真空 能量 还要 再 低 一些 如果 能 的话 我 不 就 可以 违反 霍金 说 的 这个 结论 了 吗 对 不 对 那 这件 事 就是 在 1988 年 的 时候 由 这个 加州 理工 的 教授 索恩 以及 他 的 学生 莫里斯 提出 的 这个 索恩 和 莫里斯 他们 其实 最 开始 的 时候 并 没有 去往 这个 方向 去 想 后来 有 一个 科幻小说 家 想 请教 他们 说 你 能 不能 告诉 我 怎么 穿越时空 结果 他们 俩一 想 那 干脆 来 这么 个 方法 说 他们 这 方法 是 什么样 的 呢 首先 我们 先 把 一个 四维时空 画 在 一个 面内 这是 一个 四维时空 也就是说 既 包含 了 三维空间 又 包含 一维 时间 然后 我们 想 方法 让 它 折 过来 这个 图 我们 可能 经常 见到 把 它 折 过来 折 过来 了 之后 有 这么 两个 点 这 两个 点 分别 是 A 点 和 B 点 按说 如果 你 想 从 A 点发 一个 光到 B 点 的话 那 这个 光 必须 得 这么 转 一圈 转 了 很 长时间 才能 到 B 但是 我们 可以 通过 一个 方法 让 这个 光 从 A 点 直接 到 B 什么 方法 呢 就是 在 A 和 B 之间 连接 一个 虫 洞 虫 洞 这个 概念 是 非常 新潮 的 一个 概念 它 怎么 组成 的 呢 就是 在 A 这儿 有 一个 黑洞 我们 知道 黑洞 是 可以 把 物质 吸进去 然后 在 之前 还有 人 提出 过 说 还有 一种 洞 叫 白洞 这个 白洞 是 什么 意思 呢 白洞 就 往外 喷 东西 这个 叫 白洞 现在 我 把 黑洞 和 白洞 连到 一块 那 这个 地方 我们 就 管 它 叫 虫 洞 说 这个 虫 洞 出来 了 之后 又 有 什么 好处 呢 我们 让 一个 人 从 A 进去 他 一下子 从 B 出来 了 有人 说 那 你 从 A 进从 B 出 又 如何 呢 它 就 可以 构造 时间机器 了 你 比如说 A 这个 点有 一个 标 这个 坐标 它 是 (0,t) 对 吧 B 这个 点 也 有 一个 坐标 叫 空间 坐标 是 L 时间 坐标 是 t 我们 首先 可以 建 一个 虫 洞 把 这 两个 点 连 起来 然后 这个 索恩 就 说 第二步 你 可以 造 这么 个事 你 可以 让 这个 L 趋近 于 0 也 就是 把 这 两个 洞 在 空间 上往 一块 挪 然后 你 再 根据 相对论 效应 比如说 你 可以 靠近 一个 大 质量 天体 或者 是 相对运动 你 可以 让 这个 时间 稍微 有点 差别 t_B 它 就 变成 了 t+△t 这样一来 你 这 两个 点 坐标 就 变 了 一个 是 (0,t) 而 B 的 坐标 就 变成 了 (0,t+△t) A 和 B 这 两个 点 它 时间 就 不 一样 了 所以 如果 你 从 A 走到 B 那 就 到 未来 去 了 如果 你 从 B 回到 A 那 就 到 过去 去 了 对 不 对 这 就是 所谓 虫 洞 的 概念 那么 制造 一个 虫 洞 需要 什么 呢 我们 知道 黑洞 是 有 巨大 引力 的 对 不 对 所以 说 在 黑洞 这个 部位 它 需要 很大 的 质量 很大 的 质量 才能 把 这个 物体 吸进去 那么 在 白洞 这边 咱们 想一想 有 质量 就 会 有 引力 白洞 是 往外 喷 东西 的 它 就 不能 有 质量 它 得 是 什么 它 得 是 一种 叫做 奇异 物 的 玩意儿 What does it have to be? It has to be something called a strange thing 这是 一个 非常 新奇 的 物理 概念 其实 我 也 不是 很 懂 奇异 物 这个 概念 大概 的 意思 就是说 它 的 质量 是 负 的 它 是 负 质量 这个 东西 是 个 负 质量 它 可以 负 质量 而且 是 负 能量 大家 看 它 是 负 能量 所以 就 跟 这个 霍金的 理论 不 冲突 了 对 吧 霍金 理论 说 能量 处处 非负 就 会 出现 奇点 我 现在 是 负 能量 我 不是 这个 非负 的 所以 说 我 就 可以 不 出现 奇点 其次 它 还有 一个 情况 它 就是 一个 它 有 排斥力 我们 知道 两个 物体 之间 有 质量 的话 会 有 万有引力 对 吧 但是 它 是 负 质量 所以 它们 之间 会 出现 排斥力 这样一来 靠 一个 正常 的 物质 把 这个 人 给 吸进去 吸进去 了 之后 再 靠 负 质量 的 排斥力 把 这个 人 再 喷出来 对 吧 这样 就 实现 了 虫 洞 的 时空 穿越 不过 洞 造出来 其实 是 很 难 的 有 科学家 们 曾经 算过 说 一个 人要 想 掉 进虫 洞 里边 那么 这个 人 就 必须 承受 在 这个 腰 这儿 的 巨大 压力 这个 力是 非常 大 的 以及 在 前后 的 巨大 张力 这个 张力 和 压力 会 把 这个 人 撕成 亚原子 所以 你 要 想 利用 虫 洞 时空 穿越 你 这个 虫 洞 必须 得 大 一点 那 怎么样 让 虫 洞 大 呢 就 得 收集 更 多 的 奇异 物 但 现在 我们 到 现在 一点 奇异 物 还 没 收集 到 是 吧 我们 只是 科学 上 猜测 说 奇异 物 这 玩意 应该 存在 的 那 我们 能 不能 收集 到 那么 多 我们 也 不 清楚 是 吧 所以 从 现在 看起来 造 一个 时间机器 其实 还是 非常 困难 的 不过 在 以前 人们 认为 登月 也 是 不 可能 的 现在 我们 也 登月 了 对 吧 所以 现在 我们 认为 时间机器 不 可能 说不定 以后 时间机器 就 有 可能 了 可能 还有 同学会 说 时间机器 一旦 造出来 就 会 有 悖论 比如说 你 有 一个 叫 祖父 悖论 的 就 一个 人 回到 过去 把 他 祖父 给 杀 了 这 有没有 可能 那么 关于 这些 时间 悖论 我们 会 在 下 一回 再 给 大家 做 介绍 大家 如果 喜欢 我 的 视频 可以 在 西瓜 视频 和 YouTube 帐号 李永乐 老师 里 订阅 我