內容來源：2018年11月3日，在混沌大學超級思維大課中，2017年諾貝爾物理學獎得主，《星際穿越》科學顧問兼製片人基普?索恩進行了主題為《新的時空觀：探尋星際穿越的秘密》的精彩分享。筆記俠經主辦方授權發布。
筆記達人| 藍光
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精選筆記?科學
本文新鮮度：★★★★★口感：蘇打蘇打
筆記君說：
四百年來，我們了解宇宙的方式正在不斷地發生變化。
什麽是已知的事實？ 什麽僅是猜想？ 我們如何驗證猜想，將其轉為事實？
正是由於對真理的不懈追求，讓我們的思維可以超越時間、跨越星系，直到宇宙中的一切重歸於寂。
我很榮幸，受到混沌大學的邀請，來這裡講課，來跟大家聊聊過去五十年裡，我在物理學和天體物理學方面研究過的課題，以及我們所得到的一些驚喜的發現。
一、物理學理論基礎
1.牛頓——自然法則框架
在1687年，牛頓為我們提供了所有的自然法則的框架，這個框架持續了218年。
框架是基於他關於絕對空間和絕對時間的概念。
關於空間的概念，是人人都認同的。
無論在哪裡，無論如何運動，空間都是一個廣為認可的概念。
時間概念的基礎是力與加速度，也是我們每天都會體驗到的。
2.愛因斯坦——狹義相對論
1905年，愛因斯坦提出了一個新的物理定律框架，他稱之為狹義相對論。
這個框架現如今已有113年歷史，它基於相對性原則——也就是說宇宙的規律都是相同的，無論你在哪個參考系之中。
這是關乎一切物理定律的法則。
光速建立在自然規律之上
在愛因斯坦的理論框架下，得出了一些奇怪的結果。
如果我測量光速，得出通常的結果，就是30萬公里每秒。
如果你測量相同的光束相對於我以20萬公里每秒的速度移動，你會以為測量結果肯定30萬減去20萬，也就是10萬公里每秒。
但實際並不是這樣，光的速度是建立在自然規律之上的。
愛因斯坦說，這是自然規律之一，每個人的參考系中，應該都是如此。
在你的參考系中，即便你相對於我高速移動，你測量的結果也是30萬公里每秒，這很令人困惑，為什麽會這樣呢？
答案在於，愛因斯坦解釋了關於長度的概念。
你和我的認識都是不同的——某個物體有多長，秒針走了多久，宇宙中哪些運動是同時發生的？我們之間都會有分歧。
如果你相對於我是高速移動的，這會讓我很不舒服。儘管如此，他還是將他的相對論原則和結果搭建在這樣的基礎上，也就是萬物緊密相連。
時間長度和同時性是相對的
現在就說到了問題的關鍵，看看牛頓的引力定律。
牛頓的引力定律說，太陽在地球上施加的引力的強度，與太陽和地球之間距離的平方成反比。
當然，你還要測量同時性的運動中太陽地球之間的距離。
當你進行距離測量時，你就已經考慮同時性了，這是牛頓定律的基礎。
但愛因斯坦研究了牛頓定律，他不禁提問：
地球和太陽之間的距離，是從哪一邊衡量的，太陽還是地球？兩邊得出的結果是不同的。
所以在1905年，愛因斯坦就認為牛頓的引力定律違反了他自己的相對論，非常大膽。
1905年的愛因斯坦還很年輕，在瑞士伯爾尼的一個專利局工作。
他不是做學術研究的，不名一文，但他卻有了這個想法，他覺得牛頓一定是錯的。
但是他需要花費七年時間才能弄清楚，究竟如何替代萬有引力定律。
最終他給出了一個針對重力的全新解釋。
時空扭曲法則
1912年，愛因斯坦開始提出他的理論，我稱之為“愛因斯坦的時空扭曲法則”。
萬物都會傾向於住在自身衰老最慢的地方。
我們都想住在這種地方——可以衰老得更慢。
萬有引力將我們拉到這種地方。
他還給出了一個精確的數學表述作為例子：
地球的品質扭曲了時間，它減慢了地球附近的時間，這種扭曲，造成了萬有引力。
這很奇怪，地球扭曲了時間，時間扭曲產生了引力，這種理論也太新奇了，和之前的萬有引力定律完全不同，但它卻是正確的。
實驗論證時間被扭曲：
1976年，這一理論經過了高精度測試。
美國宇航局，將一個原子鍾送入了太空，離地一萬公里，然後比較這個原子鍾的擺鍾速度與地球上的擺鍾速度的差別。
通過無線電信號觀測，愛因斯坦的結論是：
地球上的時間比較慢，和高海拔的地方相比，一百年裡慢一秒。
這點差距很細微，但這個差距也足夠用來解釋，讓我們能坐在椅子上或讓我站立的萬有引力。
非常了不起的是，這個預測被驗證是正確的。
在1912年，他提出了這種新的引力理論。
愛因斯坦意識到，時間和空間以一種非常複雜的方式混合在一起，儘管時間和空間對你我來說，都是不同的，但還是存在時空的概念。
一個統一的時空概念，對每個人來說都一樣。
但這種他正在摸索的統一性，在1912年時讓他明白了，如果時間是扭曲的，那麽空間也一定是扭曲的。
實驗論證空間被扭曲：
在1976年，由美國宇航局主導的實驗，由羅伯特?雷森伯格和歐文?夏皮羅在史密森天文台完成。
他們所做的是，美國宇航局建了海盜號探測器並發射到火星，火星在自己的軌道上運動時，會帶著這個探測器一起運動。
然後雷森伯格和夏皮羅從地球上向探測器發射雷達信號，然後再收集回來的信號。
他們測量了信號往返的時間。
如果地球和探測器之間的空間是平的，他們選在信號離太陽較近的時候進行探測，雷達信號的返回會出現延遲。
如果空間是平的的情況，函數裡可以看到，這個探測器在軌道上的位置，在峰值處延遲大約兩百微秒。
當信號靠近太陽時，延遲不斷拉大，當信號遠離太陽時延遲減少。
我們知道，光具有普遍的速度，這告訴我們，那裡的空間肯定是扭曲的。
信號在接近太陽的時候，肯定走過了額外的距離。
僅從實驗數據中，就可以繪製出空間的形狀——空間不像一張紙那樣平坦，假想我們的宇宙在另一個更高維度的宇宙裡，也就是體宇宙。
為了具象化，太陽附近的空間，肯定是凹進去像個碗，這樣距離才會更長。
所以可以根據雷達信號，繪製出體宇宙的空間形狀，這是很了不起的。
這也精確地契合了愛因斯坦相對論中的推測。
引力場方程
1912年至1915年之間，愛因斯坦一直在探索空間和時間扭曲的規律，最後在1915年，他給出了著名的引力場方程。
它所解釋的是，空間的形狀體現在這個數學表達式中，通過這個量，描述了空間中存在的能量和品質。
空間中存在的能量和品質，它們引起了扭曲，也就是等號左側的部分。
愛因斯坦的引力場方程所描述的時空扭曲，可以控制所有的恆星運動，所有飛行器、光纖、宇宙中的一切，所有引力影響下的運動，都受到時空扭曲的影響。
二、當前研究重點
今天，愛因斯坦的引力場方程、相對論、時空扭曲理論已經存世超過一個世紀了，我們也認識到，實際上宇宙有扭曲的一面。
我是說物體和現象，它們不是由像你我一樣的物質組成，而是由扭曲的時空組成。
在時空扭曲之中，也有一些物體和現象是由物質混合而成的。
但我主要關注那些完全不含物質的，也就是隻涉及扭曲時空的部分。
我要說的這些，首先是黑洞、黑洞裡的奇點、還有蟲洞、導致宇宙誕生的奇點大爆炸、可以穿越時間的時間機器、引力波、以及膜狀的宇宙，也就是物理學家說的，存在於更高維度體積之中的膜宇宙。
1.關於黑洞
黑洞，和其他東西一樣，在宇宙的扭曲面中，由扭曲的空間和時間構成。
讓我簡單地從黑洞的構成開始。
黑洞形成
如果從太陽開始，我把它縮減，但太陽的品質沒有改變，太陽的表面越來越小，所以太陽中心和太陽表面的距離變小。
牛頓告訴我們，地吸引力的強度與距離的平方成反比，引力對太陽表面的吸引力就越來越強。
當然，牛頓錯了，但只是錯了一點點。
所以我們可以把牛頓定律用在這個論點上，隨著太陽變小，地吸引力最終會變得很強大。
因為地吸引力的增強，時間的減緩也變得非常強烈。
事實上，在這個物體的表面，時間減慢到停止，地吸引力凸顯出來，變得極為強烈。
這個物體是黑洞。
所以它呈現了黑洞是怎樣在宇宙中形成的。
在現實中，太陽內部有如此強的壓力，它不能縮小變成一個黑洞，但是重一些的星球是可以的，這是根據我們觀測和理論得出的結論。
黑洞原理
假如我有一個黑洞，它就像地球一樣，你可以走到下面去測量它的周長，你可以走進內部，測量它的直徑。
黑洞是個奇怪的東西，它的直徑和周長比非常大。
你在紙上畫任何一個圓，直徑都會比周長小，但是對於黑洞來說直徑卻比周長長。
這很簡單，因為在黑洞裡面空間是扭曲的。
我喜歡用這個簡單例子。
比如一塊橡皮，我把一塊很重的石頭放到中心，橡皮會凹陷。
然後我假想自己是一隻螞蟻，我在那繞圈走著測量周長，然後我測量直徑。
最終我發現，這個圓的直徑遠遠大於周長。
現在多數人對黑洞所熟悉的事情是，你掉進去就出不來了。
有一圈扭曲的空間在黑洞周圍，還有扭曲的時間，就是我告訴你們的時間延緩。
如果在黑洞的表層，時間延緩到停止，那麽黑洞裡面的時間，將會發生什麽？——時間倒退和時間流的衝突？
還有另外一面，黑洞一般情況下會是旋轉的，因為它們在旋轉，它們把空間吸入並讓它們自己旋轉，非常像龍卷風裡的空氣，這個誰也無法改變它，也是無法避免的。
如果你掉進了黑洞，你會被拽著打轉，在黑洞裡面打轉。
2.關於奇點
奇點概念
奇點不像我們通常在圖上畫的一個點，它是黑洞中心的點，被設計來展示無序的。
如果你掉進去，你就會被擠壓和拉扯，這有點像地球上的海洋因為太陽和月亮的拉伸和擠壓引起的漲潮落潮，我們叫它潮汐能。
當我朝奇點的方向掉下去，這些潮汐能把我拉扯擠壓。
但隨著掉得越來越深，我會被無限地拉伸和擠壓，直到死亡。
這個過程會一直進行，直到身體最後變成原子，然後變成基本粒子，直到不存在。
而黑洞和它的奇點就停在那裡，準備著伸展和擠壓任何掉進來的東西，這是一種驚人的行為。
受量子引力定律控制
我們不理解拉伸和擠壓的最終終點，因為它變得如此極端。
但事實證明，量子物理的定律是把事物描述成隨機波動，和廣義相對論定律共同作用。
為了理解奇點內部發生了什麽，我們必須把量子物理學和廣義相對論結合起來，形成所謂的量子引力定律。
只有當我們完全理解量子引力定律，我們才能理解，在這個混亂的、拉伸擠壓的過程中，最終會發生什麽。
事實上，這些量子引力定律控制著黑洞內的奇點，控制著宇宙的誕生。
為了了解宇宙是如何誕生的，我們必須首先了解，量子引力的這些神秘的定律。
在黑洞裡有第二個奇點，這是幾年前才發現的。
我們曾經認為只有一個奇點。
在電影《星際穿越》中，庫珀失重掉進了黑洞，未來的一切都是在瞬間，以巨大的衝擊波砸向他，這叫做墜入奇點。
試想一下，還有第二，或第三個奇點，向庫珀的方向散射，這一切都發生在很短的一秒內，就像衝擊波一樣湧向他。
事實上，庫珀掉進了黑洞後撞上了外太空的奇點，他幸存了下來。
當我們試圖理清這些問題，並理解他到底發生了什麽，答案大概牢牢掌握在量子引力定律之中。
3.關於蟲洞
讓我從一個簡單的假設蟲洞的例子開始。
外形似光管
如果有一個蟲洞，它有兩個入口，每個入口都是黑洞的視界，只不過你可以看到裡面。
一個洞口可能在你的辦公室裡，另一個洞口可能在室外的花園裡。
所以如果你坐在辦公室裡，看著那個洞口，你會看到花園。
光從花園進來，穿過蟲洞，一直照到你的眼睛。
如果你的朋友在戶外，可以看到蟲洞的另一端——你坐在辦公室裡，所以蟲洞就像一根光管，或一根光纖。
如果有一個蟲洞，我可以穿越它，我身體的後部和我身體的前部可能相距數百萬英裡。
兩端要開啟
在《星際穿越》中有一個蟲洞，它的形狀和我在這裡給你們展示的一模一樣。
蟲洞最基本的問題是，它就是純粹的空間和時間的扭曲，然後隨著時間流逝，蟲洞將會變小、斷裂，只剩下你和奇點，而不是奇點單獨在黑洞裡面。
如果你的科幻小說裡要有蟲洞，要保持蟲洞不關閉的唯一方式是，用我所謂的異物質來填充這個蟲洞。
所謂的異物質，是反引力的物質。它排斥引力，為了讓它排斥引力，它必須有負能量。
什麽東西有負能量？
在量子力學中，如果這裡什麽也沒有，這片區域可以從那片區域借能量過來，使那片區域留下負能量。
負能量會反引力，這確實發生在量子理論中。
蟲洞用於快速星際旅行是很理想的，它們能自然地發生嗎？幾乎肯定不能。
我們不知道有什麽辦法可以造個蟲洞。
如果一開始就沒有的話，它們能被先進的文明製造出來嗎？
在先進的文明中，有一種方法可能以極小的規模會使它變成蟲洞。
所以今天我們仍然很困惑，不清楚蟲洞是否可以被一個先進的文明創造，並且可以持續保持打開的狀態。
想一想，在伽利略時代，人們認為宇宙是什麽樣子，我們今天對宇宙的了解是什麽樣？
所以我邀請你推測，引力會帶來什麽？波浪會帶來什麽？
在接下來的四百年裡，我認為在我們對宇宙的理解上，將有一場類似的大革命，可能大部分是關於宇宙扭曲的一面的認識，但也有可能是宇宙物質的一面，謝謝。
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