物理學往事 為甚麼說光錐之內就是命運？

為什麼說光錐之內就是命運? 假設你點燃一支蠟燭 光會以不斷膨脹的氣泡形式向四周傳播 而根據相對論 任何有質量的物體都無法超過光速 所以你永遠都無法逃脫這個氣泡 如果我們把目前的狀態想像成二維空間的切片 這時的氣泡就像是一個個不斷增大的圓圈 而將這些圓圈堆疊起來 就會形成一個錐形 這就是光錐 而作為愛因斯坦相對論中最重要的結構 光錐影響著宇宙中最為根本的因果關係 假設距離地球很遠的宇宙深處 發生了一次超新星爆炸 而其爆炸的光錐在到達地球之前 該事件不會對我們造成任何影響 而我們也無法瞭解爆炸的任何信息 只有當光錐到達地球時 我們才能看到此次的爆炸事件 這便是經典物理學的因果律 也就是說當一個事件觸發另一個事件 都要受到光速的限制 那麼時間和空間又有什麼區別 在空間中 我們可以往任意方向移動 不會受到任何束縛 而在時間中 連續的光錐會迫使我們只能從過去走向未來 並永遠無法回頭 在相對論中 時間就是光錐的方向 而空間是和時間垂直的 其他任何方向的集合 在沒有引力影響的宇宙區域中 它們的結構都是筆直的 時間和空間會形成對稱的直線網格 所有光錐的方向將會全部一致 假如在地球周圍 當一個蘋果受到地球的引力而向下墜落時 其引力不僅影響著物體本身 還影響著物體的光錐方向 因此在一個大質量行星周圍 光錐的方向會呈現彎曲狀態 也就是說時間也會向行星的中心彎曲 蘋果之所以會墜落 是因為它的未來指向了地球 質量扭曲了時空的幾何形狀 使時間和空間變得相對 這就是愛因斯坦的廣義相對論 當質量越大的物體 所彎曲的時空就越多 如果是一個引力無限大的物體 那麼時空的彎曲也將會變得無限大 所有的光錐都會完全朝下 如果我們在這裡點燃一支蠟燭 所有的光錐都會落入這個物體的中心 這便是我們所說的黑洞 作為宇宙中擁有最大引力的類星體 其時空的曲率將所有物體都推向中心 如果我們將黑洞想像成二維切片 並在時空中形成一個圓柱體 它的邊界就是世界世界 在世界以外 部分光線可以逃逸 而在世界以內 所有的光都無法逃脫 在黑洞中 光錐使任何物體的路徑向下 時間本身就是指向黑洞的中心 為了展示黑洞的物理特性 就不得不提霍金的黑洞生死悖論 愛麗絲和鮑勃是兩名宇航員 在太空執行任務時 兩人接近了一個黑洞 突然 愛麗絲的助推器失控了 她被黑洞的引力吸引 從而飛向了黑洞 對於遠離黑洞引力的鮑勃來說 自己周圍的時空受到的引力非常微弱 對他而言 時間就是一條從過去到未來的直線 因此 他看到的黑洞和愛麗絲 都是靜止狀態 而對於飛向黑洞的愛麗絲來說 當他越靠近世界 時間和空間就越彎曲 當他抵達世界時 時間和空間傾斜了45度 對於愛麗絲來說 時間不再是一條從過去到未來的直線 而是一條沿著45度上升的對角線 像是一個光錐的表面 這就解釋了 為什麼任何物體穿過了世界後 就再也無法逃脫的原因 當愛麗絲穿過世界後 和外界相比 時間和空間似乎互換了概念 時間現在指向下方 而在此之前是穿過空間的方向 黑洞的世界不再是一個地方 而是愛麗絲過去的一瞬間 黑洞的中心也不再是一個點 而是愛麗絲未來的一個世界 當一顆大質量恆星爆炸並攤縮時 會發出最後一道光 同時也發出最後一個不斷擴張的氣泡 但在被恆星彎曲的時空中 從外面看 氣泡似乎變成了靜止的 於是就形成了一個黑洞 也可以說 它是一個被時空曲率固定住的光錐 如果把扭曲的時空拉直 時間的方向從左到右流動 我們可以清楚地看到黑洞的世界 形成了光錐 所以穿過世界後 就只能向黑洞的中心墜落 因為那就是世界的未來 如果我們將圖像壓縮 就會看到黑洞的外部和內部 形成了兩個不同的區域 一旦我們越過世界 世界之外也就成了我們的過去 而通向起點 也是任何物體在通過世界世界後的最終命運