宇宙物理學(xué)正面臨重大突破

文︱關(guān)品方

筆者最初接觸到英國物理科學(xué)家霍金所著《時(shí)間簡史》是在2008年，之后一直有放在案頭反復(fù)閱讀，最近重新再看一次。該書首次出版于 1988 年。1993 年，湖南科學(xué)技術(shù)出版社推出《時(shí)間簡史》文字版，2002 年推出插圖本，去年再推出《2025 全新升級(jí)版》，聰明的高中理科生完全看得明白。

霍金的《時(shí)間簡史》是科普著作，全球暢銷逾2500萬冊(cè)，內(nèi)容涵蓋宇宙本性的前沿知識(shí)，提出了大爆炸理論、無邊界假說等著名學(xué)術(shù)觀點(diǎn)。閱讀本書能帶來多方面感悟，可以顛覆日常慣性思維。

現(xiàn)在彈道導(dǎo)彈滿天飛，以色列最近威脅可能對(duì)伊朗動(dòng)用核武器。軍事科普十分關(guān)鍵。例如，什么是彈道導(dǎo)彈？那是一種在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力作用下先按預(yù)定程序飛行、后按自由拋物體軌跡飛行的導(dǎo)彈，主要用于攻擊地面固定目標(biāo)。它的飛行過程分為主動(dòng)段和被動(dòng)段：主動(dòng)段由火箭發(fā)動(dòng)機(jī)提供推力并在制導(dǎo)系統(tǒng)控制下飛行，關(guān)機(jī)后進(jìn)入被動(dòng)段，依靠慣性沿拋物線軌跡飛行（包括自由飛行段和軌跡再入段）。美國的薩德系統(tǒng)理論上可以有效攔截進(jìn)入被動(dòng)段的彈道導(dǎo)彈。這里面涉及空間物理學(xué)和數(shù)學(xué)原理，離不開時(shí)間的元素。

那么，時(shí)間是什么？空間為什么一定是三維（平面加高度）？答案藏在一條終極原理里面，名為《三維垂直原理》。在宇宙里的任意一個(gè)點(diǎn)，都只能做出三條互相垂直的直線（長闊高），處于《三維垂直狀態(tài)》。天體（例如地球）在空間保持三維垂直，它就必須運(yùn)動(dòng)。直線運(yùn)動(dòng)只有一維。圓圈運(yùn)動(dòng)只有二維。唯一能滿足三維垂直的運(yùn)動(dòng)，就是圓柱狀螺旋運(yùn)動(dòng)，一邊旋轉(zhuǎn)，一邊向前，每一刻都能重新生成三維垂直。這就是統(tǒng)一場(chǎng)論最震撼的結(jié)論，解釋了地球?yàn)槭裁醋赞D(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)個(gè)不停。空間以光速螺旋運(yùn)動(dòng)。光速和時(shí)間是兩個(gè)不同的概念。宇宙不是時(shí)間加空間，宇宙是以光速螺旋運(yùn)動(dòng)的空間。

為了維持三維垂直，必須以光速螺旋。粒子電場(chǎng)、引力質(zhì)量、時(shí)間，全都是基于三維垂直原理，從空間螺旋運(yùn)動(dòng)衍生出來。光速每秒可以圍繞地球7.5圈，聽起來很快，但在宇宙面前慢得像蝸牛爬。我們現(xiàn)在看到的太陽，是8分鐘前的太陽。如果太陽此刻爆炸，我們還能在毫無察覺中安然度過8分鐘之后才知道。我們看到的仙女座星系，是250萬年前的模樣。那時(shí)候如果有人類，還未懂得直立行走。我們每天晚上看到的星光閃閃，那根本不是光，是歷史的記憶。今天我們看到仙女座星系的光，來自250萬年前。

人類發(fā)出的無線電信號(hào)，飛100年才飛出我們所處的銀河系的0.1%；即百分之零點(diǎn)一的距離。如果明天地球毀滅，宇宙的99.9%的區(qū)域不會(huì)知道地球存在過。假如有外星文明此刻發(fā)現(xiàn)地球想來找我們，例如來自仙女座星系，他們看到的是地球250萬年前的位置。太陽系以每秒220公里在銀河系中狂飆。250萬年來，太陽系早就移動(dòng)了多少億公里？他們感應(yīng)到地球的坐標(biāo)時(shí)，地球早已不在那個(gè)坐標(biāo)上。光速不是橋梁，是永恒的囚籠，因?yàn)槭裁炊伎觳贿^光速。地心吸力現(xiàn)在不再是人類永恒的囚籠，因?yàn)槿祟愐延袥_出地球的能力。

宇宙正在膨脹，而且正在加速膨脹。宇宙的星體正離開我們，退行的速度超過光速所及的區(qū)域，它們的光將永遠(yuǎn)無法到達(dá)地球這里。這就意味著宇宙星體正在遠(yuǎn)離我們太陽系、把自己“藏起來”。根據(jù)NASA的觀測(cè)數(shù)據(jù)，可觀測(cè)宇宙的半徑是465億光年。人類能夠到達(dá)的極限只有160億光年，剩下的305億光年，就算人類此刻以光速出發(fā)，再也追不上那些正在遠(yuǎn)離我們的星系。它們發(fā)出的光已永遠(yuǎn)無法抵達(dá)地球。每過若干年就有一批星系會(huì)因?yàn)橛钪媾蛎浂肋h(yuǎn)退出我們的視野，再也看不到、回不來。1000億年后，除了銀河系和我們身處的太陽系周圍的幾個(gè)鄰居，整個(gè)夜空將變成一片漆黑，再也沒有星光閃閃。到那時(shí)候，人類（如果地球仍在）抬頭看天，什么都看不見。這不是科幻，是空間物理學(xué)最冷酷的判決書。

光速和時(shí)間是完全不同的概念。愛因斯坦在1905年作出論斷，速度越快，時(shí)間越慢。這不是主觀感覺或哲學(xué)概念，是被實(shí)驗(yàn)證實(shí)了的現(xiàn)象。1971年，美國物理學(xué)家哈菲爾和基廷共同做了一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)。他們把兩臺(tái)原子鐘調(diào)校到完全一致，一臺(tái)留在地面，另一臺(tái)放上飛機(jī)，繞地球飛了一圈，結(jié)果飛機(jī)上那臺(tái)鐘比地面的那臺(tái)慢了59納秒。它證明了時(shí)間不是固定的，會(huì)被速度扭曲。

這意味著什么？假設(shè)你坐上一艘能達(dá)到光速99%的飛船在宇宙中飛行一年然后返回地球，會(huì)發(fā)現(xiàn)你的朋友和家人已經(jīng)比你老了7歲。你只是出了趟遠(yuǎn)門，但地球上的時(shí)間已經(jīng)把你拋棄了。詩句是《山中方七日，世上已千年》。現(xiàn)實(shí)是《宇宙只365日，地上已7年》。如果速度再快一點(diǎn)，推到99.99%，你在飛船里待一年，地球上已70年。要是推到99.999%，地球上已223年。回來時(shí)你還活著，但你認(rèn)識(shí)的所有人都已經(jīng)化為塵土。這就是光速給宇宙設(shè)下的第一道閘門，時(shí)間不是絕對(duì)不變，和速度成“指數(shù)反比”。

宇宙還準(zhǔn)備了第二道閘門。質(zhì)量會(huì)隨著速度增加而增加，質(zhì)量和速度成“指數(shù)正比”。歐洲核子研究中心的大型原子對(duì)撞機(jī)做過精確測(cè)量，一個(gè)質(zhì)子被加速到光速90%，質(zhì)量會(huì)變成靜止時(shí)的7倍，加速到99.9%時(shí)，會(huì)變成22倍。當(dāng)速度無限接近光速時(shí)，質(zhì)量會(huì)趨近于無窮大（infinity）。

無窮大是什么概念？它意味著整個(gè)宇宙的能量加起來都不能夠讓質(zhì)子飛得再快那么一點(diǎn)點(diǎn)。宇宙的規(guī)則就是這樣，你越想要接近光速，需要的能量就越趨近于無限。這不是技術(shù)問題，是物理定律本身在告訴我們說 : 《想要超越光速？做不到。》我們現(xiàn)在已知道光速是每秒大約29.98萬公里，這個(gè)數(shù)字從宇宙大爆炸那一刻起，137億年來從未改變過。科學(xué)家計(jì)算過，如果光速快1%，原子核里的質(zhì)子會(huì)直接散架。如果慢1%，恒星內(nèi)部的核聚變無法啟動(dòng)（例如太陽，因?yàn)楹司圩兌l(fā)光），整個(gè)宇宙會(huì)是一片黑暗死寂，沒有“閃閃星光”。光速是絕對(duì)數(shù)字，容錯(cuò)率是零，不是接近零，是絕對(duì)的零。它是從宇宙之初就已經(jīng)鑄刻在物理定律最底層的精確數(shù)字。

1926 年，美國物理學(xué)家邁克爾遜改進(jìn)了測(cè)量光速的方法，使用旋轉(zhuǎn)八面棱鏡代替旋轉(zhuǎn)平面鏡，以延長光的路線來提高測(cè)量的時(shí)間精度，得出光速為每秒29萬9796公里。現(xiàn)代的光速測(cè)量技術(shù)是1950年由艾森提出，用空腔共振法，通過微波在空腔中的共振頻率和波長計(jì)算光速。1983年，光速被正式定為國際單位制的基礎(chǔ)常數(shù)，1米被定義為光在真空中傳播3.3356納秒所經(jīng)過的距離。到如今成為定論（光速每秒299792458米）。

筆者認(rèn)為，人類對(duì)自然科學(xué)的理解越多，越覺得人類的渺小。現(xiàn)在美以向伊朗發(fā)動(dòng)戰(zhàn)爭(zhēng)，妹東戰(zhàn)事正酣，戰(zhàn)販在地球上推動(dòng)人類互相殘殺，出于貪婪愚蠢，十分幼稚無知。宇宙已誕生137億年，太陽系壽命只90億年，地球存在了45億年。我們現(xiàn)在清楚知道，地球壽命還只有45億年，自轉(zhuǎn)會(huì)逐步變慢，公轉(zhuǎn)會(huì)逐步縮小，最后必定會(huì)被吸引到太陽附近、在某個(gè)節(jié)點(diǎn)燃燒然后化為灰燼。這個(gè)總重量高達(dá)60萬億億噸的地球，在宇宙間只是滄海一粟，孤獨(dú)地自己轉(zhuǎn)個(gè)不停，繞著太陽年復(fù)一年不停公轉(zhuǎn)，隨著太陽系不停地奔向宇宙的遠(yuǎn)方。地球上，人類和自然物類是命運(yùn)共同體。這是何等高瞻遠(yuǎn)矚的大局觀？現(xiàn)階段的人類文明還只5000多年。人類的前途在人類手中，要追求和平、不要戰(zhàn)爭(zhēng)；要建設(shè)，不要破壞。生活的目的在增進(jìn)人類全體之生活，生命的意義在創(chuàng)造宇宙繼起之生命。這是林清玄散文中提到某中學(xué)禮堂的對(duì)聯(lián)，體現(xiàn)了對(duì)生命價(jià)值與人類責(zé)任的深刻思考。北宋思想家張載有《橫渠四句》 : “為天地立心，為生民立命，為往圣繼絕學(xué)，為萬世開太平”；集中體現(xiàn)了中國儒家知識(shí)分子的使命擔(dān)當(dāng)與理想追求。在21世紀(jì)新時(shí)代變亂交織的今天，值得我們深刻思考，警惕帝國軍事金融霸權(quán)主義的極端危險(xiǎn)性。

中國已官宣2030年或之前將會(huì)實(shí)現(xiàn)載人登陸月球。人類最早登陸月球是在1969年7月21日。到今天為止，共有12名美國宇航員成功登陸過月球，均來自美國的阿波羅計(jì)劃，時(shí)間跨度至1972年。筆者估計(jì)，宇宙物理學(xué)正面臨重大突破。有關(guān)時(shí)間和光速之間更深層次的關(guān)系，筆者日后如有機(jī)會(huì)，另文再論。