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黑洞创造时间
100多年前,爱因斯坦根据自己的广义相对论预言,时空自身会产生“涟漪”并向周围传播出去,这就是引力波.在2015年9月,借助两个位于美国的激光干涉引力波天文台(LIGO),人类第一次检测到了引力波一它是由远在银河系之外的两个黑洞合并时产生的.
这个科学发现,不只是验证了广义相对论的正确性,而且引力波还能为科学家了解宇宙打开一个新的窗口.此外,一位物理学家还相信,过不多久我们还能借助引力波目睹一个超乎想象的事件：时间的创生.
这位物理学家叫做理查德·米勒,是美国加州大学伯克利分校的教授.他认为,当黑洞合并时,除了扰动时空产生引力波之外,它还会产生一段新的时间.这是一个大胆的想法,但米勒的理论有着坚实的理论基础.
从亚里士多德到爱因斯坦,历史上许多最杰出的思想家都曾探究过时间的本性,然而却无功而返.古罗马帝国时期的哲学家奥古斯丁就曾说过,“时间究竟是什么？没有人问我,我倒清楚.有人问我,我想说明,便茫然不解了.”这正概括了许多思想家的困境.
而米勒的理论可能有助于我们揭示时间的真相.他的理论基础,就是爱因斯坦的相对论.根据相对论,我们生活在三维空间中并随着时间的流逝从过去走向未来,这一切只不过是个错觉.爱因斯坦坚持认为,时间和空间不是彼此分离的,它们是同一个东西的不同体现,这个东西他被称为“时空”.
爱因斯坦在他二十几岁的时候,就发现根据他的这个想法,能导致一系列意想不到的效果.比如,一个物体在接近光速时时间会变慢,在运动方向上长度会缩短.尽管看似不可思议,但相对论的这些预言都被实验所证实.然而,把时间和空间统一起来,仍然有一些问题.任何人都可以做一个简单实验,指出其中一个问题：我们可以在空间中静止不动,但在时间中却不行.
当然,还有其他难题.基本的物理法则从不考虑时间是怎么流逝的,不管时间向前流逝还是向后流逝,都会给出同样的答案.但从山川的侵蚀到万物的衰变,我们周围的一切似乎都在表明,时间的确有一个“箭头”,从过去指向未来.
为了写一本书,米勒开始把所有关于时空的问题部整理起来.在写书的过程中,他头脑中闪现出了一个灵感.他意识到,时间的流逝可能是一段段新的时问不断产生带来的.
那么,一段时间是怎么创造出来的呢？米勒在时间和空间的统一性中找到了答案.自从90多年前发现宇宙在膨胀以来,科学家们不得不接受这样的观点：宇宙在膨胀过程中,不断有新的空间创造出来.米勒认为,因为时间和空间是同一个东西的不同方面,那么这也意味着宇宙的膨胀可以创造出时间.
“每一时刻,宇宙变大一点,同时还多了一点时间.”米勒解释道.这样,米勒就成功地解释了时间为何会流逝.他说,此时宇宙膨胀所产生的新的时间,就是我们所认为的“现在”,而时间的流逝就是这些“现在”不断产生带来的.
米勒并不满足于此,他还想找到一种方法来检测他的理论.当时,米勒还没有找到一种可施行的检测办法,他选择写完他的书,并于2016年出版.这本书叫做
《现在：物理的时间》.不过,就在他完成他的书的时候,LIGO的科学家宣布检测到了引力波.这改变了一切.米勒意识到,LIGO可以检测黑洞合并时创造时间的过程.因为在这个过程中,它们创造了大量新的三维空间,同时也能创造出新的时间.
黑洞以毁灭者而不是创造者闻名,它们能创造出新的时间和空间的想法,是非常违反直觉.为了阐明这究竟是怎么一回事,可以使用一个类比来理解.单一的黑洞,通常被描述为时空组成的一张橡皮膜上的一个漏斗形凹陷.这个凹陷的面积会大于原来平坦时的面积,因为橡皮膜被拉伸了.这个类比并不太完美,因为黑洞是三维的,而橡皮膜是二维的.但从中,你可以理解黑洞制造出了更多的时空.
如果我们可以见证一个黑洞的诞生,那么我们不仅能检测到创造出的新空间,我们应该也能检测到创造出的新时间.麻烦的是,不知道黑洞形成的精确时刻,你没有办法检测到创造出的新时问造成的影响.
而LIGO检测到引力波这个事件,给了米勒一个解决办法.这个引力波是两个黑洞合并时产生的.而在台并过程中,两个黑洞会以螺旋式方式彼此靠拢.根据合并前的运动状况,科学家可以十分精确地预测出两个黑洞何时发生合并.
米勒表示,黑洞的合并将再次创造出新的空间,因为最终的黑洞质量将比原来两个黑洞中的任何一个都大.他进行了粗略的计算,发现2015年9月的黑洞合并事件,将会在黑洞周围创造出数百万立方千米的新的三维空间,同时还会创造出一段一毫秒左右的时间.创造出的新时间,会导致黑洞最终合并为一个黑洞时产生的引力波在向外传播时,会多花费一段时问.LIGO的科学家应该能发现,检测到的引力波信号存在一个短暂的延迟.
米勒不满足于粗略的计算,他随后与美国加州理工大学的相对论专家肖恩-马奎尔开始合作,用更严谨的数学进行了分析.他们最终确认,他们的理论是可行的,而且LIGO有能力检测新创造出的“现在”.但他们发现,LIGO第一次检测到的引力波信号略微弱了些,还不足以验证米勒的理沦.米勒希望将来LIGO能够检测到更强的引力波信号,来验证他的理论.
米勒很乐观,认为过一两年就能检测到一个强信号.不过最近,他开始与一位同事一起在实验室里设计个实验,来测试他的想法.该实验涉及建造一个能测量本地微观空间和时间的非常复杂的时钟.米勒并不想透露出关于实验更多的细节,因为他们想成为这个研究领域的第一.
米勒还表示,他的同行们对他的研究比较感兴趣,而且他们还没有在他的理论中找到任何缺陷.也许,借助米勒和他的同事的实验,或一个来自深空的引力波信号,能让我们目睹时间创生的过程,并最终揭示出时间的本质.
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