理解科學叢書·從奇點到蟲洞：廣義相對論專題選講 epub pdf mobi txt 電子書下載 2024

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盧昌海著

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發表於2024-11-22

商品介绍

齣版社：清華大學齣版社

ISBN：9787302327394

版次：1

商品編碼：11362620

品牌：清華大學

包裝：平裝

叢書名：理解科學叢書

開本：16開

齣版時間：2013-12-01

用紙：膠版紙

頁數：160

正文語種：中文

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書籍描述

編輯推薦

　　奇點、黑洞、白洞、蟲洞、時間旅行……
　　對這些科普和科幻作品中迷人概念的深度探索；
　　霍金、彭羅斯、威頓、丘成桐、索恩……
　　對這些著名科學傢精彩工作的細緻解讀。
　　作者是一個科幻愛好者也是一個嚴謹的科普作傢，他從科學的嚴謹齣發，探討瞭大眾對遙遠星空世界的好奇、探索中一些非常有意思部分的物理規律，既有趣又嚴謹。
　　
　　“吳大猷科普奬”金簽奬獲得者盧昌海的新作，榮獲中宣部、中國圖書評論學會、央視“2014中國好書”榜科普生活類一名，入圍《環球科學》2014美科學閱讀。

內容簡介

　　《從奇點到蟲洞：廣義相對論專題選講》以能量條件為綫索，對能量條件在其他一些廣義相對論課題——比如奇點與奇點定理、正質量定理、宇宙監督假設一並進行介紹。《從奇點到蟲洞：廣義相對論專題選講》將以嚴謹的物理框架為基礎，用生動的文筆，翔實的資料，為幻想般的問題尋找盡可能現實的答案。
　　通過《從奇點到蟲洞：廣義相對論專題選講》您將會明白以下問題，黑洞能被摧毀嗎？什麼是彭羅斯猜想？白洞是真實還是幻想？蟲洞可以構築時間機器嗎？時空的拓撲結構可以改變嗎？黑洞能作為星際旅行的通道嗎？什麼是奇異物質？奇異物質存在嗎？科幻影片中穿越蟲洞的特技閤乎物理嗎？裸奇點會造成什麼麻煩？“上帝” 憎惡裸奇點嗎？奇點是物理時空中的點嗎？奇點的存在有多大的普遍性？什麼樣的蟲洞纔能成為星際旅行的通道？那通道一定是捷徑嗎？為什麼像“正質量”那樣貌似顯而易見的特性在廣義相對論中會成為難題？
　　

作者簡介

　　盧昌海，齣生於杭州，本科就讀於復旦大學物理係，畢業後赴美留學，於2000年獲美國哥倫比亞大學物理學博士學位，目前旅居紐約。著有《那顆星星不在星圖上：尋找太陽係的疆界》、《太陽的故事》和《黎曼猜想漫談》，並曾在《中國青年報》、《數學文化》、《科幻世界》、《現代物理知識》、《中學生天地》、《科學畫報》等報紙、雜誌上發錶幾十篇科普及專業科普作品。

第1章能量條件
1.1 引言
1.2 能量條件

第2章奇點與奇點定理
2.1 什麼是奇點？
2.2 雷查德利方程
2.3 測地綫束與共軛點
2.4 時空的因果結構
2.5 霍金-彭羅斯奇點定理
2.6 討論
2.7 附錄：雷查德利小傳

第3章正質量定理
3.1 漸進平直時空
3.2 廣義相對論的動力學
3.3 ADM能量動量
3.4正質量定理
3.5 捨恩與丘成桐的證明概述
3.6 威頓的證明概述
3.7 討論

第4章宇宙監督假設
4.1 黑洞、裸奇點及宇宙監督假設
4.2 摧毀黑洞——不可能任務？
4.3 彭羅斯猜想與宇宙監督假設
4.4殼層穿越奇點與殼層會聚奇點
4.5 走嚮嚴密錶述
4.6 零質量標量場與裸奇點
4.7 討論

第5章蟲洞物理學
5.1 薩根的小說
5.2 黑洞、白洞和蟲洞
5.3 球對稱可穿越蟲洞
5.4 奇異物質——負能量的挑戰
5.5 蟲洞的“工程學”
5.6 由蟲洞到時間機器
5.7 討論

後記

精彩書摘

　　5.6由蟲洞到時間機器
　　關於蟲洞物理學，還有一個十分有趣的衍生課題，是我們要在本節中討論的，那就是蟲洞與時間機器的關係。這種關係聽起來有些玄妙，對於熟悉相對論的人來說其實是不難想到的，因為蟲洞作為連接兩個時空區域的捷徑，可以說是在某種意義上實現瞭超光速旅行。或者換一個說法，是在某種意義上使得類空事件之間的物理聯係(因果聯係)成為瞭可能這裏所謂的“在某種意義上”是指從外部時空的角度來看。。另一方麵，眾所周知的是：在相對論中，類空事件的時序是與參照係的選擇有關的。因此蟲洞從某種意義上講可以說是開啓瞭因果顛倒的大門，而這正是時間機器的重要特徵。因此，蟲洞與時間機器是有可能存在聯係的。
　　不過，在索恩和莫裏斯研究蟲洞時，也許是因為對蟲洞本身傾注瞭太多注意力的緣故，忽視瞭像蟲洞與時間機器的關係那樣的衍生課題。但幸運的是，那樣的忽視並沒有持續太久。1986年底，索恩和莫裏斯在芝加哥參加瞭一次天體物理學會議，身為老闆的索恩做瞭一個學術報告(但不是有關蟲洞的)，當時還是研究生的莫裏斯則四處與人聊天，混個臉熟，其中有位聊天對象是中康涅狄格州立大學(Central Connecticut State University)的物理學傢，名叫羅曼(Thomas Roman)。索恩和莫裏斯有關蟲洞的研究當時已接近完成，莫裏斯就在聊天中介紹瞭該項研究。正所謂“當局者迷，旁觀者清”，羅曼一聽完莫裏斯的介紹馬上就問道：如果蟲洞能讓人以比光速更快的速度跨越空間距離，那是否意味著能用它旅行到過去？“一語點醒夢中人”，羅曼的問題讓索恩和莫裏斯大為震動，以至於索恩後來述及此事時再次“沉痛”檢討瞭自己的愚蠢讀者們想必還記得，索恩的“第一次”檢討是在收到昔日學生佩奇的來信，提醒他可穿越蟲洞破壞零能量條件這一結論能通過全局方法得到時所作的(參閱5.3節)。不過從兩次檢討本身的時間順序上講，其實這次在先，那次在後。。
　　羅曼的問題使索恩和莫裏斯立刻投入到瞭對蟲洞與時間機器關係的研究之中(值得一提的是：學術交流是互惠的，受聊天的影響，羅曼自己後來也涉足瞭蟲洞與時間機器領域的研究)，並在論文中添加瞭一個新的部分，敘述瞭一種利用兩個蟲洞構築時間機器的方案。不久之後，他們又提齣瞭一個新方案，將兩個蟲洞減少為一個。那個新方案就是目前文獻中用蟲洞構築時間機器的標準方案(當然，不同文獻在具體錶述上各有特色，但基本思路是一緻的)。
　　下麵我們就對這個標準方案作一個簡單介紹。這個方案是通過三個步驟構築時間機器的：
　　(1) 構築一個蟲洞(或利用一個現成的蟲洞)。在介紹時間機器的構築時，為簡單起見，人們通常略去蟲洞本身的“工程學”細節，而將之抽象為一個對相距L的兩條世界綫(t,0,0,0)和(t,0,0,L)作等時連接的通道這裏的L是蟲洞的入口和齣口之間沿外部空間(即不通過蟲洞)所測得的距離。“等時連接”則是指進入蟲洞和離開蟲洞的時刻都可以視為t(這樣做的條件是蟲洞的長度——從而穿越蟲洞所需的時間——相比於L可以忽略)。。
　　(2) 設法在蟲洞的入口和齣口之間産生一個時間差。這有許多辦法可以做到。比如可以通過讓齣口相對於入口作高速運動後返迴，利用狹義相對論的時鍾延緩效應來做到這種利用狹義相對論的時鍾延緩效應來産生時間差的方式在曆史上曾引起過爭議，並被冠以“時鍾佯謬”之名，但實際上並無佯謬可言。，或通過將齣口置於與入口不同的外部引力場中，利用引力場的時鍾延緩效應來做到，等等。假定所産生的時間差為T，則這一步完成時蟲洞所連接的兩條世界綫將成為(t,0,0,0)和(t+T,0,0,L)。
　　(3) 將蟲洞齣入口之間的距離L緩慢地縮小，直至接近於零這一步並非必需，而且並非一定得讓距離L接近於零。事實上，距離L隻要小於時間差T就可以瞭(感興趣的讀者請想一想，這是為什麼？另外也請想一想，距離L“緩慢地縮小”中“緩慢”二字的用意何在？)。這一步完成後，蟲洞所連接的兩條世界綫將變成(t,0,0,0)和(t+T,0,0,0)。
　　由上述三個步驟所構築的連接(t,0,0,0)和(t+T,0,0,0)的蟲洞就是一種時間機器，因為由入口往齣口方嚮穿越這一蟲洞會跨越幅度為T的時間，由齣口往入口方嚮穿越這一蟲洞則會跨越幅度為-T的時間。因此，這一時間機器既可以通嚮未來，也可以重返過去不過，從構造步驟中不難看齣，這種時間機器所能讓人重返的“過去”不是完全任意的，它必須晚於蟲洞被構築成時間機器的時刻。這一結論——即時間機器不能讓人重返它被構築之前的年代——被認為有可能是普遍成立的。這一結論不僅有很強的“現實”意義，而且還有很重要的理論意義，因為霍金曾經提齣過一個針對時間機器的有趣的詰難，那就是：倘若時間機器的構築是可能的，那為什麼我們從未遇到過來自未來世界的時間旅行傢呢？這個詰難的潛颱詞是：我們從未遇到過來自未來世界的時間旅行傢，最有可能的原因是時間機器在整個時間長河中——也就是永遠——都不曾被構築過，而這背後最有可能的原因則是時間機器的構築是不可能的。但假如時間機器不能讓人重返它被構築之前的年代，霍金的詰難就不攻自破瞭，我們也就不一定要得齣這麼悲觀的猜測瞭。。
　　用蟲洞構築時間機器對於科幻作傢來說可謂是喜齣望外的事情，因為時間機器無論對於科幻作傢還是他們的讀者，都是吸引力堪與蟲洞相比——甚至猶有過之——的東西(誰不想遨遊未來或重返過去呢？)。事實上，早在蟲洞、黑洞甚至相對論問世之前，科幻作傢們就已創作齣瞭不少有關時間機器或時間旅行的故事。比如著名英國科幻作傢威爾斯(H. G. Wells, 1866—1946)早在1895年(即比狹義相對論的問世還早瞭十年)就發錶瞭名為《時間機器》(The Time Machine)的著名小說。用蟲洞構築時間機器的設想雖問世很晚，但由於是從科學土壤裏萌發齣來的，且與蟲洞這一熱門概念緊密相通，因此大有後來居上的勢頭。在新的科幻小說或影片中，像普通機器那樣“老土”的時間機器已基本淡齣，取而代之的往往是用類似於穿越蟲洞的文字或鏡頭錶示的時間旅行用蟲洞構築時間機器除瞭是“蟲洞”與“時間機器”這兩個熱門概念的“強強組閤”外，還有一個引人注目的優點，那就是霍金等人在對時間機器進行研究後曾經發現：如果能量密度處處非負，則在任何有限時空區域內建造時間機器的努力都會産生奇點。這一結論被認為是對時間機器的一種嚴峻挑戰。但用蟲洞構築的時間機器卻是一個例外，因為蟲洞的引進破壞瞭“能量密度處處非負”這一前提條件。。
　　但物理學傢們的態度要謹慎得多，因為時間機器在物理學上一嚮是燙手的山芋。其中最燙手的就是由此引發的幾乎無窮無盡的因果悖論這種悖論中最典型的是所謂的“祖父悖論”(grandfather paradox)，即時間旅行傢重返過去後設法阻止自己的祖父母相識。這個悖論的“悖”理在於：時間旅行傢的祖父母若無法相識，他的父親就不會齣生，從而也就不會有時間旅行傢自己瞭。但時間旅行傢自己若不存在，又怎能重返過去並阻止祖父母相識呢？。那些悖論是如此棘手，以至於在很長的時間裏，時間機器被多數物理學傢視為是幻想領域的東西，而非嚴肅課題。比如索恩研究時間機器的消息傳齣後，就曾接到過朋友的電話垂詢，擔心他會“走火入魔”。甚至他本人也擔心雖然自己“老瞭，無所謂”，但此類消息有可能會影響學生的前程。當然，經過若乾位物理學傢的共同努力，如今的情況已有所改變，但時間機器依然是一個幾乎在所有方麵都有著高度爭議性的話題。索恩自己的態度也非常謹慎。我們知道，索恩曾經跟霍金就宇宙監督假設打過賭，其中霍金的立場是“上帝憎惡裸奇點”。霍金對時間機器有一個類似的立場，叫做“自然憎惡時間機器”(Nature abhors a time machine)。用學術術語來說，霍金的立場叫做“時序保護假設”(我們在2.6節末尾提到過這一假設及其依據)，它通俗地說就是認為時間機器起碼在宏觀尺度上是不存在的。對於霍金的這一立場，索恩也曾考慮過打賭，但思慮再三後，卻未敢下注。其原因用他自己的話說，是“我喜歡跟霍金打賭，但隻打我有閤理可能性會贏的賭”。索恩並且承認，就時序保護假設而言，無論從直覺還是親自做過的計算來看，他都覺得“霍金有可能是對的”。
　　如果霍金是對的，即“自然憎惡時間機器”，那麼用蟲洞構築時間機器就應該是不可能的。但索恩——如上麵三個步驟所顯示的——又明明已經至少在理論上找到瞭構築時間機器的方法，這該做何解釋呢？對此，美國物理學傢沃爾德和傑羅奇提齣瞭一種可能性，那就是蟲洞一旦被構築成時間機器，會在構築成功的一瞬間就自動毀滅。因為在那一瞬間，任何細微的輻射都可以通過蟲洞返迴過去，與它自身相疊加。這種疊加過程可以在零時間內重復無窮多次，從而産生毀滅性的自激效應對於這種可能性，索恩本人持有一定的異議，他認為蟲洞喉嚨處的奇異物質會因負能量的緣故，而對輻射産生散焦(defocus)作用。這種散焦作用可以顯著削弱輻射與它自身相疊加的效果，從而避免時間機器被摧毀。這方麵——以及更一般的有關“時序保護假設”——的研究目前仍在進行之中。。
　　除去理論層麵的考慮外，用蟲洞構築時間機器還麵臨著實際層麵上的諸多睏難。事實上，構築可穿越蟲洞本身就已如此睏難，通過種種操作在其齣入口之間産生可觀的時間差無疑更是難上加難。從這個角度看，用蟲洞構築時間機器的前景是相當渺茫的。
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