在彎曲的世界中探尋真理

蟲洞、黑洞、時間旅行、引力波，對於許多人而言，這些令人浮想聯翩的概念，似乎只存在於文學和科幻小說作品之中，但它們其實是科學家熱衷於研究的對象。當我們去探索這些奇異的概念時，就會發現它們並非憑空想像出來的，而是與一個物理理論有著緊密的聯繫。

1915年，愛因斯坦提出了一個全新的引力理論——廣義相對論。它不僅解釋了牛頓理論無法解釋的現象，還作出了許多有悖於直覺的預言。從我們日常都在使用的GPS，到理解黑洞的形成，再到研究宇宙的演化，都離不開廣義相對論。如果用一句話來總結該理論，那便是：物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何運動。

○ 在太陽的周圍，空間是彎曲的。我們的宇宙被描繪成了一個二維的平面或膜，生活在一個高維的「超空間」，物理學家稱之為「體」（bulk）。在現實中，我們的膜是三維的，而體是四維的。這樣的一個體宇宙有可能存在嗎？過去我們認為是不存在的，但1999年Lisa Randall卻證明是有可能存在的。

在愛因斯坦提出廣義相對論的50年後，一位年輕的博士生的宇宙觀發生了改變，他意識到這個宇宙擁有著彎曲的一面，從此便為自己設定了人生目標：同時運用理論和觀測來探尋彎曲的世界。這名年輕的博士生便是基普·索恩（Kip Thorne）。對，就是那位電影《星際穿越》的科學顧問，獲得2017年諾貝爾物理學獎的基普·索恩。

○ 基普·索恩在騰訊WE大會分享關於蟲洞、黑洞、時間旅行和引力波的故事。| 圖片來源： 騰訊WE大會

時空的捷徑

現在讓我們大膽的試想一下，如果我們想要從太陽系航行到距離地球254萬光年遠的仙女座星系，該怎麼做？以現代的科技而言，這簡直就是天方夜譚。但是，廣義相對論的核心方程（即愛因斯坦的場方程）的解為我們提供了一個時空捷徑——蟲洞！

如果你在一張紙上分別畫上太陽系和仙女座星系的話，只要把紙折起來，你就會發現在它們之間可以創造出一條僅有幾公里的捷徑。當蟲洞被打開時，只需要幾分鐘便能穿越如此之遠的距離，這是多麼誘人的一個想法。基普·索恩把這樣的一個設想從理論搬到了小說，再從小說搬到了熒幕。讓觀眾也有機會感受理論物理學所帶給我們的無限可能。

○ 蟲洞在土星和仙女座星系之間打開了一條捷徑。| 圖片來源：Pany/NPI

當然，一個不好的消息是，在現實宇宙中，蟲洞即使真的存在也將是非常不穩定的，因為它在產生以後會短暫地打開，接著在極短的時間內就會關閉、消失。而且可以肯定地說，蟲洞並不會在宇宙中自然產生，只能依靠高等文明去利用足夠多的「奇異物質」，才有可能去創造和維持蟲洞的存在。

這種奇異物質與我們所見過的任何物質都不一樣，它的引力作用不僅會把蟲洞的洞壁撐開，而且當光束通過時，還會將光線外推，使光束分離。這就意味著這些填滿蟲洞的奇異物質在光束（或者是某個以接近光速穿越蟲洞的勇士）看來，必須具有負能量密度（每立方厘米的能量）。這是什麼意思？我們知道，引力是由質量產生的，而我們也聽說過E=mc2，即質量與能量等價，也就是說，引力是由能量產生的。從光束的角度去計算就會發現，蟲洞內的物質的平均能量密度只有在負值時，光束才會分散，蟲洞才會打開。因此我們說這些物質是奇異的。

當然，有一個例外是，如果我們能夠進入到非常小的尺度——10的負33次方厘米，或許就有可能找出一個蟲洞。據我們所知，在這麼小的區域內，存在著巨大的真空漲落，空間成了一堆「量子泡沫」。我們還不是很清楚在這個尺度下究竟會發生什麼，這需要我們統一廣義相對論和量子力學，找到一個所謂的量子引力理論，才能進一步指導我們前進。

引力怪獸

如果蟲洞讓你們覺得依然科幻味十足的話，那麼在宇宙還有一個具有同樣效果但更真實的存在——黑洞。在愛因斯坦提出廣義相對論的不久後，物理學家就在理論上預言了黑洞的存在，它的基本構造包括了隱藏在一個事件視界內的奇點。所有的物體，一旦落入了事件視界就再也無法逃脫，這是一個有去無回的邊界。

在宇宙中，當一顆質量足夠大的恆星在耗盡燃料時，就會經歷一場劇烈的爆炸，坍縮的核心最終會形成一個黑洞。除了這些恆星質量的黑洞，科學家認為在大部分星系的中心都包含著一個質量為太陽數百萬甚至是數十億倍超大質量黑洞，例如在銀河系的中心，就有一個質量為400萬倍太陽質量的黑洞。在一些星系中，這個超大質量黑洞的周圍會形成一個由氣體、塵埃和恆星碎片組成的吸積盤。當盤中的物質落入黑洞時，引力能會轉化為光，使這些星系的中心非常明亮，因此它們也被稱為活動星系核（AGN）。有一些AGN甚至會發射出以接近光速運動的相對論性噴流。

○ 索恩的背後顯示了黑洞周圍的吸積盤和雙噴流，它們會輻射出大量的射電波、X-射線和可見光。| 圖片來源： 騰訊WE大會

相比之下，在電影《星際穿越》中的黑洞卡岡都亞就沒有那麼「活躍」了，吸積盤的溫度要比典型的AGN低很多，並且沒有噴流。至少在黑洞事件視界望遠鏡（EHT）分析完它的數據之前，黑洞卡岡都亞是目前最接近黑洞的圖像。

○ 索恩的背後顯示的正是事件視界望遠鏡（EHT），由全球的幾大射電望遠鏡組成，其解析度相當於地球大小的望遠鏡。2017年，EHT對銀河系中心的黑洞進行了觀測，現在正在分析數據的最後階段，黑洞的第一張照片預計在2019年上半年公布。| 圖片來源： 騰訊WE大會

時間之謎

由於黑洞的強大引力，有一個效應會變得特別明顯。根據愛因斯坦關於時間彎曲的定律，任何事物總是傾向於停留在時間流逝最慢的地方，而且引力會將其拉向那個地方。

地球的質量會扭曲時間，而這個時間的彎曲會產生引力，因此才能將我們牢牢地束縛在地球之上。但實際上地球的引力是很微弱的。根據廣義相對論，越靠近引力場，時間流逝得就越慢，這意味著你的頭和腳感受到的時間流逝是不一樣的，只是這個差別太小了，根本無法察覺。1976年，科學家把一台原子鐘發射到了一萬公里的高空。通過無線電信號，科學家對比了在衛星上的原子鐘和地面上的時鐘，結果發現，地面的時鐘每天流逝得要慢30微秒。這個發現與愛因斯坦的時間彎曲理論在實驗精度內完全一致。

○ 飛船逐漸靠近黑洞，時間流逝的越來越慢（與地球相比）。| 圖片來源：Pany/NPI

但是，如果靠近黑洞，強大的引力就會使時間顯著變慢。假設有一個飛船逐漸靠近黑洞的事件視界（上圖），你會發現，當靠近一定的距離時，飛船上的時間會比地球上流逝的慢一半。如果飛船非常勇敢，繼續飛行，並最終靠近事件視界，時間在那裡停止了。而在黑洞之內，它比停止還要慢，時間會流入黑洞之中。飛船最終會撞上黑洞的中心——奇點。在那裡，廣義相對論失效了，這是我們就需要量子引力理論來解釋在奇點發生的事情。

時間會變慢，這是多麼令人驚奇的發現啊！但是我們對於時間的探索還遠未停止，有太多的謎題等待被解開。

時空的漣漪

雖然我們幻想中的時間旅行似乎遙不可及，但在地球上，我們總是能夠看到發生在遙遠過去的事情。大約13億年前，兩顆質量分別為29和36個太陽質量的黑洞不知以何種方式相互纏繞，慢慢靠近，最終合併成一個62個太陽質量的黑洞。在不到一秒的時間裡，這次的合併將大約3倍的太陽質量轉換成了引力波向外輻射，其峰值功率要比可觀測宇宙中所有恆星釋放出來的能量之和還高上幾十倍！引力波以光速在空間中傳播，如果它經過地球，那麼它會對地球造成擠壓和拉伸。

○ 當黑洞合併時會輻射出引力波。 | 圖片來源： The SXS project

早在愛因斯坦提出廣義相對論後，他就預言了引力波的存在。對於許多物理學家而言，尋找引力波是非常具有吸引力的。由於引力波是由彎曲的空間產生的，因此它是探索彎曲宇宙的理想工具。同時，物理學家都認為引力波將會對我們理解宇宙產生革命性的影響。但是，究竟如何才能探測引力波呢？

1972年，索恩提出了可以一個可能的設想。之後，他和羅納德·德雷弗（Ronald Drever）和雷納·韋斯（Rainer Weiss）緊密合作，共同克服了探測引力波的許多技術上的難題。最終設計出了激光干涉引力波天文台（LIGO）。1994年，巴里·巴里什（Barry Barish）開始擔任LIGO的項目主管，將一個只有40人的小團隊擴展成了包含1200多名科學家的研究團隊，最終才使引力波探測成為可能。

LIGO是一個L型的干涉儀，這個設備可以分離激光束，把兩束激光往相互垂直的探測器臂傳播。光束會在臂的末端反射回來。如果兩臂的長度完全一樣，那麼激光通過的路程就會完全相同，因此他們再次相遇時就會彼此相消。但是如果引力波穿過時，探測器臂會被拉伸，那麼兩束光經過的路程不再相同，它們再次相遇時就不會完全相消，而是在探測器出產生一個信號。科學家的目的就是探測這一信號。

2015年9月14號，LIGO終於捕捉到了13億年前的那次黑洞合併輻射出的引力波。之後又探測到了幾次黑洞的合併事件。到了2017年，LIGO再創輝煌，探測到了由雙子星合併輻射出的引力波。同時，這次的合併還釋放出了大量的電磁波！這是第一次我們同時在同一事件中同時看到了引力波和電磁波。未來，我們也會利用太空干涉儀、脈衝星計時等觀測手段去探測與脈衝星、超大質量黑洞合併等一些極端事件，從而進一步地揭開更多宇宙的秘密——例如宇宙的膨脹速度、中子星的內部、額外維度等等。此外，我們甚至有可能在原初引力波中找到關於宇宙暴脹（這是宇宙誕生後經歷了一次指數式的膨脹）的線索。

○ 就像電磁波一樣，引力波也是由許多不同的物體以不同的頻率所輻射出來的。像LIGO這樣的地面干涉儀，只對一小部分的頻率敏感，這就限制了它能夠「看到」其他特定宇宙現象的能力。這張圖顯示了與每個引力波頻率範圍相關的源，以及不同頻率所需的引力波探測器類型。| 圖片來源：NASA/J. I.Thorpe

約400年前，伽利略用他自製的望遠鏡對準了太空，發現了圍繞著木星的四顆衛星。三年前，LIGO第一次探測到了黑洞合併產生的引力波，為我們探索宇宙打開了新的窗口。現在，讓我們自由地暢想在400年後，我們的宇宙觀又將發生怎樣天翻地覆的改變？

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