
《星際穿越》2014年11月上映,世界末日即將來臨,為找到另一個宜居的星球,人類開啟了星際旅行。
該電影畫面的確壯觀,展示了蟲洞、銀河系、其他星球、五維空間等諸多壯美畫面,值得去3D電影院好好享受。
從劇情上看,深挖了人性的丑惡,身為探險家、宇航員、博士,為了自己求生,不惜陷害隊友;也探索了假如時光可以倒流,如果存在五維空間,又會怎樣。
同時亦是科普的好材料。為什么存在五維空間?時光倒流是怎么回事?
首先:什么情況下時間和空間會有所變化?根據愛因斯坦的狹義相對論,特別是其中提出的鐘慢尺縮論斷。當一個物體運動速度接近光速時,物體周圍的時間會迅速減慢、空間會迅速縮小。當物體運動速度等于光速時,時間就會停止、空間就會微縮為點,也就是說出現零時空。當物體運動速度超過光速時,時間就會出現倒流即所謂負時間;空間也會相應回到過去空間,也就是所謂的負空間,這時該物體就進入了負時空,即時空倒流或時空倒轉,從而該物體就實現了瞬間移動。
何為四維空間、五維空間?
四維空間的軸上加上了時間這個概念,也就是說四維空間的生物可以跨越時間如同我們走路,飛行一樣。既可以回到過去也可以走到未來。
四維,就是加入了時間的三維。如果你也處在四維空間,你看到的人,應該是這樣的)。
事實上應該比這個軌跡更長,這個人的一生,都體現在這個長長的軌跡里,讓我們把圖中的這種形狀叫做“四維軌跡圖”好了。而我們在三維世界看到的這個人,就是這個長長的四維軌跡圖的一個瞬間的投影而已。所以,三維就是四維中的某一個時刻,反過來,四維則是三維的集合。
五維,就是概率(也可以理解為不同的可能性),即加入了平行宇宙的四維。那么投影在四維中,也是一個四維軌跡圖。那么在五維世界里,應該是什么樣子的呢?
在五維中,你會看到,同一個人,有無數個四維軌跡圖(每一個軌跡圖,都是他的一生,可能是成為醫(yī)生,他也可能成為了總統(tǒng)等等。所以五維中,有無數種可能的此人的一生)疊加在一起,投影到任何一個四維空間,概率波就坍縮成為某一種特定狀態(tài),也就是他的某一種一生。
在《星際穿越》中,男主在最終進入黑洞后,進入了五維空間,里面有他女兒房間的所有時段,電影為了方便演示,沒有用四維軌跡圖的方式,而是用了無數個房間。有人會問,這樣不是應該是四維嗎,為何是五維?因為在當時的情形下,他女兒的命運也可能有可能性,可能沒有解出方程,可能沒有接收到他的信息等等。所以電影解讀為五維是比較合適的。
補充一點,四維扭曲三維的兩個點,在上文我們已經討論過,就是隨意門。那么,五維連接四維的兩個點,是怎樣的呢?我們把“某人的一生”這個四維軌跡圖中的任何兩點(兩個時刻,比如3歲和30歲)扭曲在一起,看上去,就是這個人突然從3歲變成了30歲。也就是說,五維空間里的人,可以隨意改變自己所處的時間(年紀)。
幾個概念:
【平行宇宙】:如果你理解了貓的或生或死的可能性,那么你就可以理解,在這里創(chuàng)造出了兩個平行宇宙。如果再加上其他參數,比如,貓如果活著,是站著還是坐著;如果死了,是趴著還是躺著。加入這四種可能性后,就產生了4個平行宇宙(活著站,活著坐,死著趴,死著躺),以此類推其他的因素,則是無窮多個平行宇宙。
關于概率波的坍塌,【薛定諤的貓】薛定諤的貓是諸多量子困惑中有代表性的一個。相信大家已經聽過很多次關于這個故事的描述了,我就簡化一下“一只活蹦亂跳的貓被封在一個密室里,密室里有一盤毒藥,不知道貓是否會去舔毒藥,那么在你打開密室之前,貓是活還是死?”
根據我們在日常生活中的經驗,可以認定,貓或者死,或者活。但是,如果我們用薛定諤方程來描述薛定諤貓,則只能說,它處于一種活與不活的疊加態(tài)。我們只有在揭開蓋子的一瞬間,才能確切地知道貓是死是活。此時,貓的波函數由疊加態(tài)立即收縮(或者說坍塌)到某一個特定狀態(tài)。量子理論認為:如果沒有揭開蓋子,進行觀察,我們永遠也不知道貓是死是活,它將永遠處于半死不活的疊加態(tài)。
很難理解嗎?你只要這樣去想象即可:在你打開蓋子的瞬間,時空裂變成了兩個,一個是貓死了,一個是貓活著,這兩個時空,從此以后互不相干繼續(xù)存在下去,兩個世界里有兩個你,可能會去做不同的事情,而這兩個時空(宇宙),也不會互相影響。那么在空間裂變之前(就是你打開密室的瞬間之前),兩個時空是疊加的,貓的死活,就是一種概率。這個概率,或者說概率波,在你打開的瞬間,由波,變成了一個確定的點(概率波的坍塌)。
【在N+1維中,可以通過扭曲N維,來連接N維中的任何兩點】在一維里,兩點之間只有一條直線距離是最近的,成為一條線段。在二維的紙面上,我們還可以把這條線段扭曲變成一個圓形,那么這兩點之間的距離就變?yōu)榱?。在三維中,我們可以干脆扭曲紙面,讓兩個點碰在一起。就像電影中演的那樣。用筆戳破投影的兩個洞,就是蟲洞,而三維投影在二維紙面的是一個圓形,那么在三維中自然就是一個球形。相信這里很容易看懂。在四維中的扭曲,你可以這樣理解:你能夠瞬間從任何一個地方,去任何一個地方。我們只是把空間扭曲而已。更形象的說,就是多啦A夢的隨意門。
什么是蟲洞?
蟲洞又稱愛因斯坦-羅森橋,指的是宇宙中可能存在的連接兩個不同時空的狹窄隧道,這個隧道就叫蟲洞。