意大利理论物理学家卡洛·罗韦利

长江网3月27日讯(长江日报记者 万建辉)世界的基本组成部分是什么?时间和空间真的存在吗?现实的本质是什么?科普畅销书《七堂极简物理课》作者、意大利理论物理学家卡洛·罗韦利出版新作,讲述了黑洞物理学以及霍金的贡献,该书日前由湖南科学技术出版社引进出版。

　　旅行到过去很难,旅行到未来很容易

在霍金的理论中,我们的宇宙中存在大量的黑洞。当一颗恒星燃尽了所有可用氢,就会坍缩,形成黑洞。宇宙里存在许多和我们的太阳一样大的黑洞,但也有更巨大的黑洞。在黑洞的区域,空间极度弯曲,最终向自身内部坍缩,时间停止。

位于我们星系中心的黑洞目前正在被仔细研究,其质量可能比我们的太阳大一百万倍。有时一颗恒星离这个庞然大物太近,就会被引力扭曲而粉碎和被吞没,就像一条小鱼被鲸吞没。一百个太阳那么大的庞然大物,在一瞬间可以吞没我们的太阳和环绕它的微小行星。

进入黑洞的东西无法再出来,至少如果我们忽略量子理论的话会如此。黑洞的表面就像是现在:只能从一个方向穿过,无法从未来返回。对黑洞而言,过去在外面,未来在里面。从外面看来,黑洞就像个球体,可以进去,但没有东西可以从里面出来。

一艘火箭可以停留在离这个球体固定距离的地方,这个距离被称作黑洞的“视界”。要做到这一点需要让火箭的发动机不停地剧烈燃烧,抵消黑洞的万有引力。黑洞的巨大引力意味着对火箭而言时间会变慢。

从理论上讲,如果火箭在离视界足够近的地方停留一小时,然后飞走,它会发现外面在此期间已经过了几个世纪。火箭离视界越近,时间相对于外面走得越慢。因此,旅行到过去很困难,但旅行到未来很容易:我们只需要在太空飞船上靠近黑洞,在附近停留一会儿,然后飞走。在视界处,时间停止:如果我们极其靠近,然后按我们的时间来算几分钟后飞走,宇宙的其他部分也许已经过去了一百万年。

　　宇宙早期形成的黑洞,可能今天正在爆炸

科学家“观测”到的黑洞可以用爱因斯坦方程很好地描述,理解它们不需要量子力学。但是有个黑洞之谜确实需要量子力学来解释。

恒星一旦坍缩,就会从外部视野中消失:它就在黑洞内部了。但在黑洞内部会发生什么呢?如果你让自己坠入黑洞,会看到什么呢?

最初没什么特别的:你会穿过黑洞表面,不会受到太大伤害,然后你会以更大的速度垂直坠向中心。然后呢?广义相对论预言,一切都会在中心被挤压成一个体积无穷小、密度无穷大的点。

如果我们考虑量子引力,这个预言就不正确了,因为存在量子斥力,使宇宙在大爆炸时反弹同样的斥力。我们预期的是,在靠近中心的过程中,坠入的物质的速度会被这种量子压力减慢,密度会非常大但有限。物质会被压缩,但不会一直压缩成一个无穷小的点,因为物质的大小存在一个下限。量子引力产生了一个巨大的压力,使物质反弹,就像坍缩的宇宙可以反弹为膨胀的宇宙一样。

如果从那儿观察的话,坍缩恒星的反弹可以非常快。但是内部时间流逝得比外面要慢得多。从外面看,反弹的过程可以耗费数十亿年。漫长的时间过后,我们会看到黑洞爆炸。基本上这就是黑洞最终的样子:通向遥远未来的捷径。

因此,量子引力也许预示着黑洞并不是永远稳定的物体,正如传统的广义相对论预言的那样。从根本上来说它们是不稳定的。这些黑洞爆炸如果被发现,对理论而言是非常惊人的证据。非常古老的黑洞,比如宇宙早期形成的那些,可能今天正在爆炸。

讲解人类最激动人心的旅程

一直有人请卡洛·罗韦利以通俗的方式讲解量子引力是怎么一回事,科学家们如何得以通过量子引力研究空间和时间的全新方式。关于宇宙学的书已经有很多,但描述空间与时间的量子本质,尤其是关于圈量子引力研究的书,却还未出现。长久以来卡洛·罗韦利一直很犹豫,因为他想要专注于研究。但几年前,在完成了关于这一研究课题的专业书籍后,他感到许多科学家的共同努力已经使这个主题达到一个成熟的阶段,足以出版一本普及读物了。

不过卡洛·罗韦利还是推迟了这个计划,因为他无法在脑海中“看见”这本书。他要如何解释一个没有空间与时间的世界?2012年的一天晚上,他独自驾车从意大利到法国的途中,想到要以一种容易理解的方式阐释持续修正中的空间与时间的概念,唯一的方法就是把故事从头讲起:从德谟克利特开始,一直到空间的量子化。毕竟他就是这样理解这个故事的。

这本书写完后于2014年初在意大利首次出版。卡洛·罗韦利在这本书里给出的对现有物理学的描述,尽管以一种他自己所理解的独特视角呈现,但其中绝大部分并无争议。书中关于当前量子引力研究的描述,则是他个人对研究现状的理解。

卡洛·罗韦利说,这并不是一本关于确定性的书,而是一本面向未知去冒险的书。这是一本游记,描绘了人类最激动人心的旅程之一。在这段旅程中,我们会走出对现实有限而偏狭的视角,朝向对事物结构越发广博的理解。