汪洁：时间的形状

我今天继续给你介绍索恩自己提出的制造时间机器的理论方案，这个会更加有意思，完全可以作为严肃科幻小说的创意来源，特别推荐科幻小说作家听我这期节目，我今天讲的能让你的科幻小说更硬一点。

很多人都知道我在 2011 年出版了一本畅销科普书《时间的形状》，并且还获得了第八届文津图书奖。一直到今天，依然有大量的读者给我来信表达对这本书的喜爱。不过，这几年，一些专业人士（比如台湾的叶李华博士）善意地指出了书中的不少瑕疵。我决定从今天开始，连续做几期给《时间的形状》打补丁的节目。今天首先要讲的是时间的形状第六章“时空那点事”中的第三节“时间旅行”。

《环球科学有故事》发刊词 【我是谁？】 你好，我是汪洁，一个满怀理想的职业科普人。 在我看来，自赛先生传入中国，虽然我们的主流价值观是崇拜科学，其实我们一直缺乏科学精神，对科学知识抱有过多的功利心，这导致大众整体的科学素养滞后于经济的发展。然而，很多专职科学家所做的科普工作却往往难以得到大众的喜爱和广泛的传播。这不是他们的错，因为善于搞科学研究的他们并不一定善于搞科学传播。 几年前，我的处女作《时间的形状——相对论史话》获得了国家图书馆第八届文津图书奖，这是我国出版人心目中的奥斯卡奖。现在这本书已经成为国内最畅销的中文原创科普书之一，常年占据各大科普类畅销榜的前十。这让我发现了自己在科普方面的潜力。之后我又相继出版了《外星人防御计划——地外文明搜寻史话》和《星空的琴弦——天文学史话》，也都获得了很高的评分和不错的销量，其中《星空的琴弦》目前豆瓣评分更是高达9.4。 2016年起，我开始尝试制作网络音频科普节目。所有业余时间我都宅在家里写作、录音、与听众互动问答。虽然很忙，但我感到生活从未像现在这样充实而有意义。今年初，我辞掉了工作，全身心投入在科普创作和科普演讲上。一年多来，我的节目《科学有故事》、《时间的形状》、《科幻世界漫游指南》等，听众总数已经超过 30 万，总播放量也超过了千万，我成为了网络上最受欢迎的科普主播之一，还当选为“科学声音”组织的首届轮值秘书 【我要为你做一个什么节目？】 今天，我向您隆重推荐我的付费专辑《环球科学有故事》。 《环球科学》杂志是著名科普杂志《科学美国人》的中文版，在我看来，也是目前中国最好也最值得推荐的科普杂志。《科学美国人》在美国有 172 年的发行历史，158 位诺奖得主为其撰稿。这本世界上历史最悠久、连续出版时间最长的科普杂志，影响了数代精英人群。爱因斯坦、爱迪生、比尔·盖茨等，都曾是它的忠实读者和作者。在中国，也有很多科学家、科技企业家阅读《环球科学》。可以说，这里的每篇文章皆为科普精品。 我会每周为您精选一、二篇最新的杂志文章，以科学有故事独树一帜的风格为您娓娓道来。 本节目绝不是念文章，而是我把文章吃透、嚼碎、消化，再补充大量的背景知识后，以一种符合普通人口味的方式，通俗易懂、深入浅出地为您讲解。 请相信，我一定会以自己最大的努力来做好每一期节目，因为科普是我下半生唯一的职业。 【为什么要花钱听一个科普节目？】 为什么人类文明最近这二百年的成就要远远大于过去几千年的积累？因为我们在大约 400 年前发明了“发明的方法”，那就是——现代科学。这是迄今为止，我们找到的获取确定性知识和认识世界的最可靠方法，没有之一。 我在这个节目中谈到的科学包含了“科学知识”与“科学精神”。在我看来，科普的首要目的是传播“科学精神”，讲科学知识只是手段。我始终坚持的写作纲领是“比科学故事更重要的是科学精神”。  一个值得付费收听的节目一定不是简单的知识点堆砌，它必须凝结作者的智力创作。我不仅会帮你从浩如烟海的科学知识中筛选出最优质的内容，而且通过我的讲解，会让科学精神在不知不觉中慢慢注入到你的头脑中，让你在愉快入睡的同时，完成一次认知升级。 【人类失去好奇，世界将会怎样？】 我们一般会认为只有孩子才对一切都充满好奇，《十万个为什么》永远给人以儿童读物的感觉。其实，好奇心是驱使我们人类不断探索未知和质疑已知的动力来源，是无数科学家做出新发现和新理论的第一步。好奇心是我们走进科学殿堂的一把钥匙。 我的节目会帮助你重新找回好奇心被满足后的愉快感受！ 订阅《环球科学有故事》，推开好奇心的大门！ 【附：前 12 期节目大纲】 1. 暗物质是原初黑洞吗？（上）2. 暗物质是原初黑洞吗？（下）3. 希特勒为什么没能造出原子弹（上）4. 希特勒为什么没能造出原子弹（下）5. 生命真的起源于海洋吗？6. 陆地会是生命的摇篮吗？7. 全世界最后三十只小头鼠海豚的命运！8. 泛生物学会带来第二次农业革命吗？（上）9. 泛生物学会带来第二次农业革命吗？（下）10. 神秘的纳莱迪人之谜终于告破。11. 丙肝末日已至（上）12. 丙肝末日已至（下） 汪洁 2017年 9 月 1 日

我的新书《星空的琴弦——天文学史话》开始预售啦！很高兴地通知大家，我的新书《星空的琴弦——天文学史话》现在已经开始在各大网店预售啦。第一，天文学上的很多东西费了老半天口舌，不如一张图清晰明了，尤其是涉及到数学公式。第二，书是可以检索的，很多时候我们要用到某个知识点，只记得是哪本书中的内容，这时候抄起一本书，哗哗哗地一翻，很快就找到了。可是音频节目，你靠拖拉进度条，基本上是不可能找到的，这个效率上的差别是没法比的呀。第三，书架上摆着的一排书能影响的是一个家庭，尤其是孩子，在书架下面长大，每天眼睛里面看到的都是那些经典的书名，这种书香门第的氛围是手机或者pad不可能营造出来的。第四，当有访客来临的时候，你书架上摆放着的书就代表着主人的品位和文化层次，虽然这么说显得有些虚荣，但这是真话嘛，爱读书在任何民族，在任何时代，都是一种受人尊敬的品质。

紧急通知：快抢《时间的形状》当当网独家签名版，正在打折预

欢迎关注微信公众号“科学有故事”我这一辈子最大的愿望之一是，在我老的快要死掉的时候，收到几张全世界知名的科学家的信或者卡片或者电子邮件什么的任何东西，上面说：年轻的时候曾经看过您写的一本好像是科普的书，虽然名字和内容现在都已经想不起来了，但是我记得我当年看完以后就毅然决定投身物理学，以至于有今天的一点点小成就，非常感谢您，祝您老一路走好。如果真有这样的一天到来，我想我会带着非常愉快的心情上路，这远比能睡进豪华骨灰盒，住进豪华墓地来得重要得多。

如果有一种理论能称为万物理论的话，那么它首先要解决我们这个宇宙中最基本的两个问题：（1）物质到底由什么东西构成的，怎么形成的，物质有没有最小单位？（2）宇宙中的“力”到底是什么，有没有一种最基本的理论和一个统一的公式能描述宇宙中所有的“力”？

我说几点：第一，量子通信卫星的主要功能是加密，通讯方式依然是传统的光通讯。第二，量子通信无法保证信息不被窃听，只能保证信息一旦被窃听，可以第一时间报警，中断通信或者改变秘钥，从而间接保障信道安全。第三，量子通信再牛逼也无法做超光速通信，现在不行，将来也不行。理论上就行不通。第四，至于说未来通过量子通信能够把物体甚至人体超光速瞬移，那就更是扯淡了，没那么厉害。要知道，无线电通讯为什么能达到光速，因为传递信息的媒介是光子，光子没有静质量，所以能达到光速。而一旦要传递有质量的物质，理论上就不可能达到光速，更不要说超过光速。迄今为止，人类还没有发明任何一种理论可以允许超光速传输能量、物质、信息。现在要命的是，相对论和量子论这两位久经风霜、战功赫赫的“战士”从本性上是水火不相容的，他们之间的鸿沟无法跨越。那么，有没有一个能兼容相对论和量子物理的理论的崭新理论呢？物理学家坚信，那种理论是否存在无需争论，那是肯定存在的，我们要想的应该是如何找到它，而不是去怀疑它的存在性。这个包容了牛顿理论、相对论、量子理论的新理论，物理学家们给它起了一个名字，叫做“T. O. E.”也就是英文“Theory of Everything”的首字母简写，中文叫做“万物理论”。这个T.O.E能够解释我们已知的所有尺度的物理现象，而且不管是牛顿物理还是相对论还是量子物理都是这个万物理论的近似理论：

1935年5月，爱因斯坦同两位年轻的美国物理学家波多尔斯基和罗森在美国《物理评论》47期发表了题为《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？》的论文，在物理学界、哲学界引起了巨大的反响。 这篇论文提出了一个名垂千古的思维实验，以论文的三位联合作者的首字母命名，称为“EPR实验”。正如这篇论文的标题所表达的意思那样，爱因斯坦想用这个思维实验来告诉物理界，哥本哈根的量子力学解释是有问题的。

这事的起因还要从爱因斯坦说起。还记得那个物理学的奇迹年吗？1905年，爱因斯坦接连发表了五篇传世论文，其中第一篇不是关于相对论的，而是叫做《关于光的产生和转化的一个试探性观点》，我们一般简称为“爱因斯坦关于光电效应的那篇论文”（貌似一点都不简）。在这篇论文中，爱因斯坦解决了困扰物理学界多年的一个问题，那就是为什么光会在金属上“打出”电子来——光电效应。爱因斯坦的观点认为光是由一个个的“光量子”（简称“光子”）组成，这些光子聚集在一起，表现出波的特性，但是单独来看，它又具备粒子性。这就是现在每个高中生都知道的光的“波粒二象性”。换句话说，光既是粒子又是波，爱因斯坦因为这篇论文在1921年获得诺贝尔物理学奖。光既是粒子又是波，你在读到这句话的时候不感到奇怪是因为你对“波”和“粒子”并没有感性认识，但是如果我说“XX既是猫又是狗”“XX既是石头又是金子”“XX既是活的又是死的 ”，你一定会大声说“荒谬”、“脑子坏掉了吧”。在上世纪初，许许多多的物理学家听到“光既是粒子又是波”，与你听到“XX既是猫又是狗”时所感到的荒谬是一模一样的。在物理学家的眼里，波就是波，粒子就是粒子，两者截然不同。比如说水波吧，水分子的上下振动引发了波纹，这个波纹只是表示能量的传递，并不是一个真实的客观实在的物体；再比如说声波，也只不过是空气分子振动形成的而已，除了空气分子和传递的能量外，再也没有别的什么东西。水波和声波都不可能是一个个实实在在的小球在水中、空中飞来飞去。那时候的物理学家坚信，光如果是一种波，就必然要在一种叫做“以太”的介质中传播，并没有什么真正的客观实在的“光”，它只不过是“以太振动”在人们眼中造成的效应而已。

我们的宇宙真是爱因斯坦心目中温暖的经典宇宙吗？爱因斯坦心目中的上帝真是他希望的那个一丝不苟的上帝吗？伟大的相对论难道就没有一点破绽吗？自从上个世纪以来，人类在研究微观世界时发现了一系列令人费解的实验结果，从此诞生了理论物理学另外一个重要的分支——量子物理学。爱因斯坦曾是量子物理学的奠基人之一，然而后期他自己又对量子物理学发出了一系列的诘难。他亲手设计了一个试图推翻量子物理学基本理论“哥本哈根解释”的思维实验，因为哥本哈根解释让上帝从一个温文尔雅的君子变成了一个疯狂的赌徒。这个著名的思维实验被称之为EPR实验，以爱因斯坦、波多尔斯基和罗森三个人名字的首字母命名。为什么只能在思维中进行呢，那是因为在当时人类的技术水平还发展不到实验要求的精度。但是在爱因斯坦死后27年，也就是1982年，人类终于突破了技术难关，具备了把EPR实验从思维中搬到实验室的能力了，于是，我们将看到人类对爱因斯坦的上帝进行了审判。“老头子”到底是一个和蔼慈祥的绅士还是一个捉摸不定的赌徒？

请到我的微信公众号“科学有故事”中回复关键字“光锥”查看本期所有的插图这个由光形成的圆锥体，闵可夫斯基把它称之为“光锥”。当然，真实的四维时空中的光锥是一个四维光锥（或者可以叫超光锥），我们现在看到的只是它的三维近似形状，但是这个四维光锥的基本特点在上面这张图上是基本准确的，随着时间的增加，光锥的体积迅速地增大。我们现在是用了一个会发光的太阳作为时空坐标原点，我们很容易就画出了该时空坐标的光锥图。下面是重点来了，请一定听仔细：任何一个事件都可以当作是时空坐标原点，不管这个事件会不会发光，我们都可以假想这个事件是发光的，那么就可以画出这个事件的光锥图，这个光锥被闵可夫斯基称为“事件的将来光锥”。什么叫事件？宇宙中发生的任何事情都可以称之为一个事件，小到一根针落地，大到太阳爆炸，一切一切的事情都可以称之为一个“事件”。下面，闵可夫斯基为我们隆重献上第一道大菜，这是一个伟大而深刻的发现，它是狭义相对论的一个气势恢宏的推论，直接把我们的视野扩展到了全宇宙。闵可夫斯基在1908年的一次名为“时间与空间”的演讲中向世人大声宣布了他的一个发现：“宇宙中的任何事件都只能影响它的将来光锥内的物体，凡是在事件的将来光锥外的物体不会受该事件的任何影响。”上面这句话有点长，有一个更文学化的版本是这么说的：光锥之内即命运。请你仔细读一下，这是本章的第一个惊雷，高潮正在慢慢酝酿。可能你没有完全读懂，让我来画一个图示帮你理解：请到我的微信公众号“科学有故事”中回复关键字“光锥”查看本期所有的插图

讲完了时间旅行，我们该来说说同星际殖民有关的话题了。在《银河英雄传说》中，自由行星同盟的国父海尼森远征两万光年，去寻找适合人类居住的外星球。那么真正的星际旅行可能吗？会遇到什么样的事情？如果我们真的能在几十甚至几百光年（几万光年我是不敢想的）的范围内建立第二个、第三个地球，我们这些星际殖民者的日常生活和时空观念在相对论的理论下又该是一个怎样的情景呢？这类题材的科幻小说也不少，包括著名的《银河英雄传说》，但是小说中的很多事情都是不可能真实发生的，真实的世界可能会非常令人沮丧。让我们先从一堂令人沮丧的算术课开始我们这个话题吧。

时间旅行是广义相对论研究的课题，目前全世界确实有很多严谨的科学家在探讨这方面的可能性。根据广义相对论，引力会使时空弯曲，引力越强，则时空的弯曲程度越大。也就是说，根据广义相对论的这个原理，我们会发现时空不是平坦的，时空是有形状的。我知道我这么说还是让你感到不太容易明白，那么我就来打一些粗糙的比喻来帮助你理解。我们首先把时空想象成一张纸，我们在时空里面运动，就好似沿着纸面运动，但是请注意一点，如果这张“时空纸”延伸的方向表示时间这个维度的话，那么我们只能朝着一个方向运动，因为时间维是只能朝一个方向运动的，这是时间维的物理性状。

请关注我的微信公号“科学有故事”，然后回复本期节目的关键字“时空”，就可以看到本期节目的插图了（是的，就是为了吸点粉，不好意思，给大家添麻烦了）请跟随我来，让我来帮你在头脑中建立时空这个诞生于20世纪的伟大名词，它是人类对宇宙认识的一次大飞跃，我将再次带你踏上一次惊奇之旅。

爱因斯坦在打通六脉神剑之后，很快就把目光投向了整个宇宙，他把整个宇宙当做一个整体来研究。在深入地研究广义相对论的引力场方程后，他得出了一个让自己无法相信的结论：宇宙不可能是稳定的。也就是说，如果手头的方程式是正确的话，那么我们生存的这个宇宙要么是在不断膨胀的，要么就是在不断收缩的，总之方程的所有解都不可能得到一个稳态的宇宙模型。爱因斯坦被自己亲手得出的这个计算结果震惊了，晚上连觉都睡不着。在爱因斯坦那个年代，人类对天文学的认识还仅仅停留在银河系内，当时的天文学家认为银河系就是整个宇宙，宇宙的尺度大约是十万光年的量级。爱因斯坦毕竟不是天文学家，他对宇宙的认识也局限于当时天文学的普遍认识。

宇宙的神秘面纱已经被我们轻轻掀起了一小角，人类就像一个好奇的小孩小心翼翼地往里面瞄了一眼，顿时从头震撼到脚。但是各位亲爱的读者，你仅仅是看到了真相的冰山一角，后面的风景才将真正挑战你思维的极限。让我们顺着时空弯曲这条道路继续往下，看看还有什么惊人的推论等在前方。 通过水星进动现象和星光实验，我想我大概已经让你相信引力确实可以使空间弯曲了。那么让我们顺着这根线索，继续深入下去。什么东西产生引力？对，是质量。质量越大，引力越强，引力越强，空间弯曲得越厉害。请把我们的宇宙空间想象成一张细密的网，任何有质量的物体就像一个球放在这张网上，这个球质量越大，体积越小，则在这张网上下陷得就越深。刚开始只是像一个小小的凹陷坑，但是随着下陷的深度越来越大，就会越来越像一个空间中的“洞”。

终于在1915年，爱因斯坦打通了剩下的三脉，六脉神剑大功告成。此时的爱因斯坦已经掌握了强大的数学工具，他已经能精确地推算出引力对空间造成的弯曲程度。下一步便是实验，且看爱因斯坦是如何设计那个将在四年后震撼全世界的著名实验的，这真是一个梦幻般的实验，他的视觉震撼力绝不亚于大卫·科菲波尔的神奇魔术，爱因斯坦将一战成名。

此时，我们关于双胞胎兄弟孰老孰少问题的答案也就水落石出了：你乘着宇宙飞船飞离地球而去，只要你还在匀速飞行，你们兄弟俩个都很欣慰，互相都知道对方跟自己相比是越来越年轻了，但是一旦你想返回地球，在返回掉头的那个时刻，时光开始飞逝，你的弟弟对你而言开始迅速地老去。