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第8章 宇宙的时空奥秘与命运（第4页）

当大撕裂临近时，恒星与行星系统将遭受严重破坏。在大撕裂前三个月，恒星内部的引力将无法抵抗暗能量的斥力，恒星开始膨胀并最终解体，行星也将失去恒星的引力束缚，成为宇宙中的“流浪者”，在黑暗寒冷的宇宙中独自漂泊。此时，行星上的任何生命形式都将面临灭顶之灾，因为它们所依赖的恒星能量供应将完全消失。

3. 天体的瓦解与基本粒子的撕裂

在大撕裂前的最后时刻，各类天体将迅速瓦解。在大撕裂前几秒，暗能量的斥力将变得极其强大，超过电磁力的作用，导致分子和原子核被撕裂成单个的原子和亚原子粒子。而在大撕裂前极其短暂的瞬间，大约 10?1? 秒前，暗能量的力量甚至将超越强力，原子核中的质子和中子也将被撕开，最终连基本粒子和时空本身都无法承受这种巨大的力量，空间内任何两点之间的距离将无限扩张，整个宇宙。

《关于时间的十层理解》

1. 早期哲学时空观：时间概念最初源自人们对事物发生先后顺序和因果关系的直观感受，比如昼夜交替、四季更迭。古希腊哲学家柏拉图认为万事万物皆为虚幻，是某个理念的投影，而时间是这个永恒理念的映像，循环流逝，世界万物会重复出现。他的学生亚里士多德则主张只有万事万物才是真实存在的，时间仅仅是物体运动的计数，如果所有物质停止运动，时间便不复存在，不过鉴于天体运动呈循环状，他也认同时间具有循环属性。古印度同样以循环时间观为主导，在佛教中体现为轮回思想。在中国古代，儒家的孔孟学说和道家的老庄哲学对时间也有各自的见解，孔子认为时间如同河流，永恒均匀地流淌且不可逆。公元一世纪基督教诞生，其教义认为上帝创造了世间万物以及时间，时间因此有了开端，神学家甚至精确给出了上帝创世的时间为公元前四零零四年十月二十二日下午八点。然而，这些哲学和神学层面的时空观并不属于科学范畴。哲学虽然能够帮助人们更好地理解科学发现背后的含义，但它过于抽象，缺乏实证科学的严谨性和客观性，主观成分较多，这常常导致在同一问题上出现不同的争议和分歧。

2. 绝对时间与相对时间：牛顿坚信世界上存在完全独立于物质世界的绝对时间和绝对空间。绝对时间真实存在，按照其固有速度均匀流逝，与外界任何事物均无关联。与之相对应的是相对时间，它是对运动的一种度量，例如地球自转一圈为一天，月球绕地球转一圈是一个月，地球绕太阳转一圈则是一年。但相对时间仅仅是绝对时间的一种反映，因为任何运动都无法精准地测量出绝对时间。牛顿的绝对时空观在一定程度上符合人们对时间最直观的感知，然而，即便像牛顿这样伟大的科学家，在面对时间这种抽象概念时，也主要停留在主观推测层面，缺乏有力的论证。直到几百年后，爱因斯坦的狭义相对论才打破了这一局面。

3. 时间并非绝对均匀：1905年爱因斯坦提出狭义相对论，其中一个重要推论是运动物体的时间会变慢。这意味着每个人所经历的时间流逝速度实际上是不一样的。当一个高速运动的人从我们面前经过时，我们会看到他身上的时间流逝速度变得缓慢，他的一切动作都像是在慢放。这一现象基于光速不变原理，光速在任何参考系中都保持恒定不变，与物体的运动状态无关。例如，假设你拥有一辆能瞬间加速到接近光速的跑车，当你开着它去追一束光时，无论你如何加速，你看到的光速始终比你快三十万公里每秒，并且始终保持不变。正是由于光速的这种不变性，导致了时间必须发生改变，从而产生了时间膨胀效应。

4. 时间和空间是一个整体：1907年，爱因斯坦的数学老师赫尔曼·闵可夫斯基首次提出了四维时空的概念。他将一维的时间和三维的空间巧妙地结合在一起，创造出了一种全新的时空结构，即闵氏时空。在闵氏时空中，一个物体的运动不再仅仅局限于三维空间中的运动，而是由三维空间的坐标（x，y，z）和时间t统一进行描述。物体在这个四维时空中的运动轨迹形成了所谓的世界线。从闵氏几何的角度去理解狭义相对论，许多复杂的现象都变得清晰易懂。例如，在闵氏时空的数学表述中，一个物体四维速度的模的平方恰好等于光速c的平方，这是一个恒定的值。这意味着只要物体在空间中的移动速度变快，它在时间上的分速度就会相应变慢；反之，只有当物体在空间上的速度达到最小时，时间上的分速度才会达到最大，这个最大的时间分速度就是物体的固有时，也就是物体自身所经历的时间。这一理论揭示了时空在本质上可能真的是一种几何结构，爱因斯坦也因此深受启发，广义相对论的雏形开始在他的心中逐渐形成。

5. 时空是可以弯曲的：1915年爱因斯坦发表了广义相对论，其核心思想简洁而深刻，即物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。在广义相对论中，时空不仅是一体的，而且还具有弯曲变形的特性。任何具有质量的物体都会对其周围的时空产生弯曲作用，这种弯曲不仅影响空间，也会影响时间。具体表现为，在不同的空间点上，时间的流逝速度会有所不同；而空间的弯曲则体现为空间的曲率发生变化。例如，当你站在地球上时，由于地球的质量对时空产生了弯曲，你的上半身所处的时空曲率与下半身略有不同，这导致你的上半身实际上比下半身老得更快一些，只不过这种差异非常微小，一般情况下难以察觉。对于宇宙中的极端天体黑洞而言，其周围的时空弯曲效应极为显着，黑洞也被形象地称为“时间冻结的天体”。在黑洞的事件视界处，时间的流逝几乎完全停滞。如果你的朋友不幸落入黑洞，从你的角度看，他的身影会逐渐变得缓慢，直至定格在黑洞的边缘，并且由于光线的红移效应，他的身影会逐渐变红直至消失不见；然而，从你朋友自身的角度来看，他并不会感觉到时间的停滞，他会正常地穿过事件视界，落入黑洞内部，迎接未知的命运。广义相对论成功地解释了许多万有引力定律无法解释的现象，如水星进动以及星光偏转等，并预言了黑洞、引力波等神奇天体和现象的存在。在过去的一百多年里，广义相对论经受住了无数次实验观测的严格考验，因此，我们暂时可以认为在宏观尺度上，时间和空间本身就是一体的，它们共同构成了一种可伸缩的四维几何结构。

6. 时间穿越并非科幻：基于前面对于时间和空间的理解，我们可以得出一个有趣的结论：时间是可以穿越的，但目前从理论上来说，我们只能穿越到未来，而无法回到过去。如果你想要穿越到一百年后的地球，目前来看有两种可行的办法。一种是乘坐高速飞船进行星际旅行，在飞船高速飞行的过程中，根据狭义相对论的时间膨胀效应，飞船上的时间会变慢。当你完成旅行回到地球时，你会发现地球上已经过去了很长时间，而你自己则比地球上的人年轻了许多。即使是日常的高速运动，如跑步或者乘坐高铁，实际上也会使你的时间相对于地球表面的时间略微变慢，只不过这种时间差非常小，以至于我们无法察觉。另一种方法是寻找一个黑洞，并设法在其附近停留一段时间。由于黑洞周围的时空极度弯曲，时间流逝速度会变得非常缓慢，所以当你在黑洞附近待上一会儿后再返回地球，地球可能已经过去了很长时间。然而，这种方法存在一定的风险，因为黑洞的引力非常强大，一旦出现意外，你可能会被黑洞吞噬，永远无法返回地球。电影《星际穿越》中的男主库珀就是因为前往黑洞附近执行任务，结果遭遇意外，当他返回时，发现飞船上的同事已经老了几十岁，这一情节生动地展示了时间穿越的效果以及黑洞附近时空扭曲对时间的影响。

7. 时间有个开端：根据目前主流的宇宙起源学说——大爆炸理论，大约在一百三十八亿年前，宇宙处于一种极度高温、高密度的状态，所有的物质和能量都集中在一个极小的区域内。在某一时刻，这个点发生了爆炸，宇宙开始迅速膨胀并不断演化至今。由于广义相对论认为时空是一体的，所以在宇宙大爆炸的那一刻，不仅空间开始形成和扩张，时间也同时开始了它的旅程。也就是说，一百三十八亿年前是我们这个宇宙时间的起点，至少在目前我们所认知的宇宙范围内是这样的。在宇宙诞生之前，时间和空间的概念可能并不存在，或者以一种我们目前无法理解的形式存在。随着宇宙的不断膨胀和演化，时间也在持续流淌，物质在时间和空间中相互作用、形成各种天体和结构，共同构成了我们今天所看到的丰富多彩的宇宙。

8. 时间的方向不只和熵增有关还有量子力学：人们通常一提到时间的方向，往往首先会想到热力学第二定律中的熵增原理。熵增原理指出，在一个孤立系统中，系统的总混乱度（即熵）不会减小，只会增大。例如，热量总是自发地从高温物体流向低温物体，而不会反向流动，这是因为温度本质上是大量分子热运动的宏观表现，大量分子的随机碰撞会使它们的动能趋于一种稳定的分布，这是统计学的必然要求，也是导致各种宏观现象不可逆的根本原因。所以，有些物理学家推测，我们之所以感觉到时间有一个明确的方向，就是因为时间的箭头总是与热量的传递方向相关联，时间总是指向熵增加的方向。然而，对于单个分子而言，它只是在不停地与其他分子进行碰撞，其运动并没有遵循明显的统计学规律。也就是说，即使从宏观上看熵增是一个不可逆的事实，但对于单个分子来说，这种熵增并没有实际意义。那么在微观尺度下，时间的方向又体现在哪里呢？这时就不得不提到量子力学。在牛顿力学中，许多方程都是时间平移对称的，这意味着系统在不同的时间点下遵循相同的物理规律。但是，薛定谔方程所描述的波函数却并非如此。当我们对一个粒子进行观测之前，它处于一种叠加态，其状态由波函数描述，并且这个波函数是随时间变化的。然而，当我们对粒子进行观测时，它的波函数会突然坍缩到某一个确定的状态，这个过程是不可逆的，坍缩前和坍缩后粒子所遵循的物理规律完全不同。这种在微观尺度下的不可逆性是我们在日常生活中无法直接感知到的，但它或许比熵增对于时间的意义更加深刻，因为它揭示了微观世界中时间的一种特殊性质，即在量子层面上，时间的演化似乎与观测行为紧密相关，并且具有一种内在的不可逆性。

9. 普朗克时间并不是时间的最小单位：在量子力学中，普朗克时间是一个非常重要的概念。许多人一听到普朗克时间，就会误以为我们所处的时空就像显示屏的像素一样，是离散的，存在一个最小的时间单位。但实际上并非如此。普朗克时间最初是由普朗克在研究黑体辐射时，为了使公式能够成立而引入的一个量。在他的理论中，能量的吸收和发射并不是连续的，而是以一份一份的形式进行，这就是所谓的能量子。普朗克时间是通过结合量子力学和引力理论，经过量纲分析计算得到的一个时间尺度。在这个极其微小的时间尺度下，量子效应和引力效应变得同样显着，现有的物理学理论都无法很好地描述这个尺度之下的物理现象。这意味着普朗克时间只是我们目前的理论能够描述的极限，它并不代表宇宙时空本身就存在这样一个最小的时间单位。宇宙时空的微观结构可能比我们目前所理解的更加复杂，也许存在着超越普朗克时间尺度的物理过程，只是我们目前的科学技术和理论水平还无法触及和解释。

10. 时间根本就不存在：着名意大利物理学家卡洛·罗威利在其着作《时间的秩序》中提出了一个令人震惊的观点：时间根本就不存在。当然，他所说的“不存在”与我们通常理解的不存在可能有所不同。在书中，他首先列举了我们日常生活中对时间的各种感知，然后指出在相对论中，时空是一体的，整个时空呈现出连续、光滑且可伸缩的几何结构，并且时空的性质会受到物体运动速度以及物质分布的影响。然而，在量子力学中，时间和空间之间并没有明显的联系，由于不确定性原理的存在，时间还与能量存在共轭关系。在极小的尺度下，能量开始变得不确定，甚至不再守恒，此时的时空也不再像宏观世界中那样光滑，而是存在着量子涨落，就如同飞行员在高空俯瞰大海时，海面看似平静，但当靠近时却会发现充满了泡沫与浪花。此外，当科学家们试图统一广义相对论和量子力学时，竟然发现以前各个理论中所依赖的时间概念变得不再重要，物理系统的演化不再能够由一个独立、绝对的时间参数来描述。这使得物理学家们不得不重新审视时间的真正意义。同时，在量子纠缠现象中，两个在空间上相隔很远的粒子可以瞬间相互影响并达成协调，虽然我们可以勉强用同一个波函数来解释这两个粒子之间的行为，但这远远不足以揭示其背后的本质，我们需要一个更加深入、根本的解释。综合以上各种现象，罗威利认为，我们现有物理学体系中对于时间的定义与时间的本质相差甚远，真正的时间本质必然更加深奥和复杂，或许它是一个由微观粒子的运动和相互作用所涌现出来的复杂网络，而绝不是我们通常所认为的简单的线性流逝。从这个意义上说，他所说的“时间不存在”并不是指没有时间这个概念，而是指我们所感知到的以及现有物理学体系中所定义的时间，只是一种表象，是隐藏在背后某种更深刻现象的冰山一角。这一观点挑战了我们传统的时间观念，促使物理学家们进一步探索时间的奥秘，也让我们意识到我们对宇宙的理解可能还存在着巨大的局限性。

11. 对时间的感知：不同的物种、不同的人甚至同一个人在不同的时刻对时间的感知都存在着差异。在2013年，都柏林大学的凯文·希利博士在《动物行为学杂志》上发表了一篇论文，指出不同动物所感知的时间快慢是不同的。到了2022年，《新科学家》周刊网站又报道了相关研究的最新进展。例如，苍蝇感知到的时间比我们慢四倍，在苍蝇的眼中，世界就像是一个慢放了的世界，这就是为什么我们很难徒手拍死一只苍蝇，因为它能够更快地感知到我们的动作并做出反应。同样，对于棱皮龟来说，一龟年等于四人年，在它的眼中，世界就像是按下了四倍速快放键，时钟指针飞速转动。这一切背后的科学原理与一个叫做cFF（临界闪烁融合频率）的指标有关，cFF是大脑视觉系统识别画面闪烁频率的上限，不同的cFF值代表了不同物种间大脑接受和处理图像的速度差异，这在一定程度上也反映了大脑对于时间的

感知能力。动作越快、反应越灵敏的动物，其cFF值就越高，也就意味着它们对时间的感知能力更强。那么，如果存在一种体型巨大的超级意识体，比如像银河系这样庞大的存在（当然这只是一种假设），由于信息传递需要时间，在它的感知中，星系的诞生与毁灭或许就如同我们眼中烟花的绽放与消逝一般短暂，它所体验到的时间流速与我们人类相比会有着天壤之别。这也让我们深刻地认识到，时间的感知是一个相对的概念，它受到生物自身特性以及所处环境等多种因素的综合影响，而我们对时间的理解也因此变得更加多元和复杂。

《关于空间的十层理解》

1. 早期的哲学空间观：空间与时间不同，它是我们能够直观感受到的存在，万事万物都在空间之中。然而，要确切地理解空间究竟是什么，却并非易事。最早成熟的空间观可以追溯到古希腊时期，当时主要存在两派观点。以德谟克利特为代表的原子论认为，空间（也就是所谓的虚空）是可以独立于物质而存在的。在他的理论中，世间万物都是由不可再分的实心原子所组成，这些原子在虚空中不停地运动，从而构成了宇宙间的一切。而亚里士多德则在其着作《物理学》中明确表示，没有物质的空间是不存在的，因为我们无法观察到这样的空间，也无法确定它是否真的存在。到了近代，哲学之父笛卡尔支持亚里士多德的观点，他认为空间是一种物理实体，并且空间会受到物质运动的影响而发生变化。笛卡尔的这种思想已经有了广义相对论的一些雏形，但由于缺乏严谨的数学理论作为支撑，所以只能停留在哲学思辨的层面。之后，牛顿提出了绝对空间观，他认为存在一种绝对的空间，这个空间独立于物质世界，并且永远保持不变，就像是一个无限大且空无一物的均匀各向同性的房子，所有的物质都在这个绝对空间中运动。为了论证绝对空间的存在，牛顿还进行了着名的水桶实验。然而，后来的研究表明，牛顿的水桶实验并不能证明绝对参考系的存在，这也使得牛顿的绝对空间观受到了挑战。

2. 空间是相对的：在狭义相对论中，除了时间会发生变化之外，空间也具有相对性。其中一个重要的现象就是运动物体的长度会变短，这被称为尺缩效应。当一个高速运动的物体从我们身边经过时，它在运动方向上的长度会真实地发生压缩，而且速度越快，这种缩短的现象就越明显。这并不是一种视觉上的错觉，而是一种真实的物理现象。例如，在星际旅行中，如果一艘飞船能够加速到接近光速的速度飞行，那么根据尺缩效应，宇宙的空间在飞船运动的方向上将会被极大地压缩。原本遥远的星系之间的距离，在飞船上的人看来将会变得短很多。同时，结合狭义相对论中的时间膨胀效应，地球上的人看到飞船飞行的时间会很长，而飞船上的人却感觉飞行的时间并没有那么久。这两种效应看似矛盾，但实际上并不冲突，它们共同构成了狭义相对论中关于时空相对性的奇妙图景。

3. 时间和空间是一体的：1907年，爱因斯坦的数学老师赫尔曼·闵可夫斯基提出了四维时空的概念，将一维的时间和三维的空间紧密地结合在一起，形成了闵氏时空。在闵氏时空中，一个物体的运动不再仅仅是在三维空间中的位移，而是由三维空间坐标（x，y，z）和时间t共同来描述。从几何的角度来看，闵氏时空为狭义相对论提供了一种全新的理解方式，它表明时空在本质上可能是一种四维的几何结构。这种将时间和空间视为一体的观念，为爱因斯坦后来提出广义相对论奠定了坚实的基础，并且深刻地改变了人们对宇宙时空的认识。此部分与时间相关内容中的对应部分相互呼应，共同阐述了时空一体的重要概念及其在物理学发展中的关键意义，这里不再赘述其详细推导过程和复杂的数学表述。