作者:视界/EVE ID:萝莉的胖次

在谈这个话题之前,我想问一下读者们:空间到底是什么?

闭上眼睛,好好想一会。

或许很多人的脑海中,会下意识的拋出一些如:三维空间、超空间、亚空间等等科幻名词。我向来鄙视那些说一堆玄乎其玄,连作者自己都理解不了的玩意,因此本文将要探讨的东西,没有那么玄乎其玄,是大家都能够理解的知识。

如果你能理解空间是什么,那接着看下去。

如果你不理解空间是什么,那也用不着着急,并不是因为你智商不够,因为这样的问题同样困扰了许多科学家。

接下来是我的第二个问题:你能把你房间里的所有东西都搬走吗?

你肯定会下意识的答道:当然可以。

但是,真的是全部都可以搬走吗?

如果你仍然坚持说可以,那就来和我一起做个思想实验吧。

当你把你把大床、手办、抱枕、桌子、电脑、肥宅快乐水、充气娃娃什么的,统统都搬离你的房间,就算是把房间密封,接着把房间里的空气分子也都抽掉,灰尘也擦掉,但是房间里面的空间无论如何都还在,你永远也搬不走它,对吧!

那么,到了这时,你也许会感到很奇怪。

空间,它到底是什么?为什么搬不走?难道只有当空间中存放有东西时,空间才存在吗?难道只有当它被墙壁封闭时,空间才有意义吗?

这太奇怪了,对吧!

设想一下,如果空间也是一种物质,那么空间本身是有形式的吗?空间有结构和形状吗?或者,它仅仅只是事件发生的地方?

我们人类最早描述空间属性的人,是两千多年前的数学家欧几里德,在他的传世文献《几何原本》中给出的。在这本书中,他预设了一套简单的、关于空间的数学逻辑规则,也就是现在我们上初中时,要学到的欧几里德几何。

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欧几里德几何深入我们生活的方方面面,在我们的周围每天都能看见它。

比如,你早上一睁开眼,看到的长方体房间,你能看到一些的直角、平行线,直角总是呈现90度;如果你延长平行线,平行线总是会保持相同的距离;如果你在墙壁上画任意一个三角形,那么三角相加总是为180度。

这就是欧几里德几何的特点,它很简单,都是生活经验,没有任何玄乎其玄的东西。

通常,我们会认为这就是几何学的全部了,没有别的可能。

对于欧几里德本人,以及往后2000年的几乎所有数学家而言,这些几何规则不仅从数学上来说是真实存在,它们也是对现实本身的描述。三角相加永远等于180度,这也是对生活经验的总结,连小学生都知道的知识。

接下来,我要说的就是在欧几里德几何基础上,添加一点稍微难一点的空间几何知识。

随着数学的发展,我们发现欧几里德几何其实是个错觉,事实上三角相加,并非总是等于通常的180度。呐尼!!!三角相加,不是一直等于180度吗,怎么可能会有其它的度数?我就猜到你会这么问,会听起来感觉很奇怪。

不要急,听我慢慢道来。

约260年前的德国,诞生了一位伟大的数学家,他的超凡能力和创意,使他超越了传统欧几里德几何画好的框架,并以惊人的洞察力,开始引领我们走向新的疆域,改变我们关于对空间的固有思维。这位数学家就是高斯。

顶级学霸高斯的天才之处,我们从小学开始就已对他耳熟能详。

高斯一生解决了许多重大问题。1991年德国政府发行的10马克钞票,头像印的就是高斯,能印在钞票上的学者可不多,可想而知他的学术贡献有多大。高斯从年轻的时候,就已开始推导欧几里德几何的规则,洞察出它并不像普通人想象的那样绝对。

接下来,就是天才高斯富有创意的绝妙想法。

欧几里德几何的基础,空间是平坦状态。高斯假设有一个弯曲的空间,那么这个弯曲空间的几何,肯定不同与欧几里德所制定的规则。

举个例子。

弯曲的二维面

在一个球体的表面画一个三角形,这时你将会发现,这个扭曲三角形的三角相加,却可以达到270度之多。这就是高斯的伟大成就之一,看似普普通通的想法,他却给我们人类开启了一个全新的视角,并重新制定了一套空间几何法则。

球体还仅仅只是个扭曲的二维,接下来,如果你把三维都扭曲,那么弯曲的空间几何规则,又会呈现出什么诡异的情况呢?

这正是年仅26岁的天才数学家黎曼所研究的东西。

黎曼把高斯的二维扭曲,扩展到了三维空间。

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1854年,黎曼向激动万分的同行进行了他的演讲,他详细论述了怎么样借用高斯关于曲面测量的方法,还能扩展到其它维度的空间曲率。如果你把这个空间弯曲游戏玩下去,还会有4维空间几何、5维空间几何......等等。

这些晦涩而深奥的黎曼空间几何知识,起源于某个数学家的闲逛,或者是随口一问的“可以有不同于欧几里德几何的几何学吗?”在当时而言,研究这种弯曲的空间几何知识,在现实里完全应用不上,它只是纯粹的兴趣爱好。

时间辗转到了20世纪初,黎曼所研究的弯曲空间几何,这才首次锋芒毕露。

1905年—1915年的爱因斯坦,决心撕开引力的神秘面纱。

引力,这股无与伦比的神秘力量,塑造了我们的宇宙。

引力,我们最熟悉却又最神秘的大自然力量,没有任何人可以摆脱它的支配,是它塑造出当今的宇宙、煅造出恒星、雕镂出行星;是它把宇宙勾勒的美轮美奂,无论是神秘的黑洞、绚丽的超新星,世间万物,皆受引力的统治。

引力,它无处不在,而且感觉非常熟悉,但又比你想象的陌生的多。或许很多人,终其一生都像一只未曾注意到水的鱼一样,也未曾思考过引力的存在。人类文明从最早的美索不达米亚算起,漫长的七八千年历史长河中,直到爱因斯坦于1915年写出《广义相对论》为止,才将这股神秘的力量,揭露在世人面前。

在那段时间,爱因斯坦像发了疯一样的,试图撕开引力的神秘面纱,以致于短短十年,绞尽脑汁的他便从一位26岁帅气的年轻人,变成一位头发邋遢的油腻男。

要想理解广义相对论,就要先理解狭义相对论中的宇宙观,即时间、空间为一体。爱因斯坦认为,时间和三维空间,它们是一种不能割裂的能量,它们交织在一起,进而形成四维时空。另外,他认为时空会被质量所扭曲。

为了能更好理解广义相对论,下面,和我一起来做一个思想实验。

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想象一张弹性很好的布,布的边沿固定在一个圆形架上,当我们把一个质量比较重的铁球,放在弹性布的中心,那么这块有弹性的布,一定会被大质量铁球的质量压迫,开始往下塌陷,从而形成一个弧形凹坑。

接着,再拿出几颗小玻璃珠往凹坑边沿一丢,我们将会发现,小玻璃珠开始围绕布中心的大质量铁球公转。

原来,这就是地球围绕太阳公转的原理,也是引力形成原因的精髓。

爱因斯坦以他惊人的洞察力,窥探到了宇宙的奥秘,他将这种因质量而弯曲的时空弧形凹坑,命名为引力场。为了描绘这种全新的宇宙观,爱因斯坦就需要一种全新的弯曲时空几何,来为他的引力场设想建立起严谨的数学方程。

也就是在这样的背景下,黎曼几何登上了历史的舞台。爱因斯坦走了过来说:哦!这就是我要用来解释引力场存在的几何啊!

至此,黎曼几何成了爱因斯坦广义相对论解释时空弯曲的数学基石。

可见科学的发展,需要极漫长的知识积累,就像人类大脑中的神经元一样,需要大量的神经元层层累计才能拥有智慧,科学也一样,它需要全世界各地缓慢的层层累积知识,几百、几千年后,最终量变引发质变,进而才能推动科学进步。

有的时候,我们完全不知道研究这个有什么用,直到时机成熟,在某个不经意间,或许就能推动人类的科学事业前进一大步。假如没有高斯、黎曼的“没用”工作,就算爱因斯坦想出引力场的设想,他也无法把想法变成科学原理。

虽然广义相对论的宇宙观,令人耳目一新。

但是一个科学理论从用笔写在纸上,再到得到认同,必然要经过验证。并不能因为该理论有多么高深莫测、逻辑多么自洽,就会得到世人认同。广义相对论同样如此,爱因斯坦自完成它的那一刻起,也理所当然的,开始了寻找验证它的方法。

这一次,爱因斯坦再度发挥他的智慧,想出了验证它的方法。

根据广义相对论中的时空会弯曲原理,爱因斯坦设想,当太阳这种大质量天体弯曲时空后,那么所造成的时空扭曲,就一定会像放大镜一样扭曲光线。

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根据这个设想,假如在日全食时,向太阳拍摄一张照片,那么它附近的星星,也必然会像用放大镜在观看一样产生位置偏移。这就是著名的引力透镜效应,大质量的天体扭曲的时空,会造成像一面宇宙放大镜一样的效应。

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1919年,也就是广义相对论发表后的第四年,英国科学家爱丁顿成功在一次日全食中拍摄到引力透镜效应,星光在太阳附近发生了一点七秒的偏转。

面对这样的实锤,时空弯曲的理论,这才得到科学界的承认。

仔细想一想,从欧几里德到高斯,再到黎曼,再到爱因斯坦,关于空间的描述,其过程是何其有趣,它显示了数学是如何一步步引领着科学的发展。

广义相对论的诞生,爱因斯坦证明了高斯曾怀疑过的,说明我们不是生活在欧几里德描述中的平直空间,而是生活在高斯和黎曼所描述的诡异弯曲空间。正是空间的柔韧性、可塑性,才造就出我们能实实在在感受到的引力。

在广义相对论中,空间成为一个动态的实体,它不在是一个仅提供事件发生的舞台,而是宇宙歌剧中最主要的主角之一。

引力与物质同步联动,随物质质量的大小而改变弯曲程度,它以如此有趣的形式,来改变自身的几何属性,塑造出各不相同的时空。

就这样,在此之前认识的无聊宇宙,静止的静态宇宙,在爱因斯坦的理论中瞬间活了过来。整个宇宙的时空,不仅难以想象的大,它还是像海洋一样,有一个形状和结构,更加离奇的是它还是可塑的,一切都可以弯曲和变形。

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或许许多人从未想过,那看不见、摸不着、透明的空间,居然包含了宇宙最深奥的秘密,正如我开头所言,时空的确是当今前沿物理竭力破解的谜题之一。到了这一刻,我们才总算明白,与大海中的鱼一样,其实我们人类也只不过是浩瀚星海中的鱼儿,我们畅游在时间和空间编织的海洋中,感受着宇宙的神奇与美丽。

写了这么一大篇关于时空的概念,如果你都能理解了,那么最后我们就来说说关于跃迁引擎的科幻设想吧。

通常我们都知道,光速是宇宙第一速度的天花板,是速度上限,因为光子的静止质量为0,所以它在我们目前的科学框架里是第一速度,而一旦一个物体拥有质量,则永远不可能达到光速,至于超过光速则更是天方夜谭。

这便不是信口雌黄的瞎说,是有科学依据。

比如质能方程:能量=质量*光速^2。根据该方程的推导,当一个物体的速度越来越快,那么它的动量则会越来越大,而能量可以转化为质量,因此当动量加大时,会导致物体的质量增加。基于这个逻辑,有质量的物体在接近光速时,质量会变得无穷大,导致你无论怎么增加推力加速,最后输出的能量会变成物体的质量。

这就是为何质量为0的光子,它的光速是宇宙速度天花板的原因。

而且根据相对论,时间与空间,是一种无法分割的能量,当某个物质被加速至接近光速时,那么它的时间会变慢。

星海是如此浩瀚,动辄便是几万光年,以我们人类目前的科技,飞到最近的恒星都要好几十万年。当遥远的未来,随着太阳的燃料逐渐耗尽,如果我们还不能打破光速的桎梏,那我们人类肯定是死路一条。基于这个赤裸裸的现实威胁,那么问题就来了,我们应该用什么星海航行技术,抵达遥远的目的地呢?

2012年,我刚玩科幻大作EVE时,就被那句“跃迁引擎启动”给迷住了,爱上了这款游戏。也就是在EVE的刺激下,我决心以EVE为框架,写一本名叫《事件穹界》的科幻小说。从那时候开始,我就在琢磨能不能给EVE中的跃迁引擎,找到相关的科学原理。

好了,下面开始,就是我的个人脑洞时间,不喜欢的可以点关闭了。

大家有没有发现,我们身边除了看不见的引力场以外,还存在着其它看不见的场,没错,它就是已经大规模投入实际应用的电磁场,我们人类利用交换电磁场,已经开发出磁悬浮列车,电磁炮等等一系列新科技。

基于广义相对论里的知识,我们知道时空本身,是一种看不见的场,我想未来我们肯定也能利用交换时空场,开发出超光速跃迁引擎。

我认为,未来跃迁引擎会和磁悬浮有一些相似之处,本质上都是和一种看不见的能量场作交换,以达到迅速移动的目的。如此一来,虽然已经超过光速,但引擎是在和时空作交换,对于经典时空而言,它并没有快速移动,因此也就不会违反相对论中的尺缩效应,星舰内的时间也不会变慢导致掉入另一个时间线。

跃迁引擎工作时,时空必须稳定,就像一叶孤舟不能在波涛汹涌的大海上航行一样,否则会翻船,同理,跃迁引擎不能有太强的引力波聒噪干扰,否则引力波也会干扰引擎与交换弯曲时空的同步计算,导致引擎无法正常工作。

基于跃迁引擎这个原理,拦截弹应运而生。

拦截弹里面就是一些禁固的引力粒子,当它释放出来时,产生的紊乱引力波涟漪,会像波涛汹涌的海浪一样,干扰跃迁引擎交换弯曲时空的同步计算。

当然,跃迁引擎虽然理论上能超过光速,但它也有速度上限,我认为它并不是人类最终极的星海航行技术。更先进的利用人造虫洞,实现跨维、投送、星门等航行的科幻设想,那就是另一个话题,不在本文探讨范围以内。

好了,本期内容到此结束,感谢大家的观看。科幻,是对遥远未来的畅想,最后祝愿人类的星辰大海之梦,能够早已实现。

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