两个黑洞合并 能产生新的时间

伤我心太深

　　100 多年前，爱因斯坦根据自己的广义相对论预言，时空自身会产生 " 涟漪 " 并向周围传播出去，这就是引力波。在 2015 年 9 月，借助两个位于美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)，人类第一次检测到了引力波——它是由远在银河系之外的两个黑洞合并时产生的。


　　这个科学发现，不只是验证了广义相对论的正确性，而且引力波还能为科学家了解宇宙打开一个新的窗口。此外，一位物理学家还相信，过不多久我们还能借助引力波目睹一个超乎想象的事件：时间的创生。


　　这位物理学家叫做理查德 · 米勒，是美国加州大学伯克利分校的教授。他认为，当黑洞合并时，除了扰动时空产生引力波之外，它还会产生一段新的时间。这是一个大胆的想法，但米勒的理论有着坚实的理论基础。



　　时间和空间的统一性



　　从亚里士多德到爱因斯坦，历史上许多最杰出的思想家都曾探究过时间的本性，然而却无功而返。古罗马帝国时期的哲学家奥古斯丁就曾说过，" 时间究竟是什么?没有人问我，我倒清楚。有人问我，我想说明，便茫然不解了。" 这正概括了许多思想家的困境。


　　而米勒的理论可能有助于我们揭示时间的真相。他的理论基础，就是爱因斯坦的相对论。根据相对论，我们生活在三维空间中并随着时间的流逝从过去走向未来，这一切只不过是个错觉。爱因斯坦坚持认为，时间和空间不是彼此分离的，它们是同一个东西的不同体现，这个东西他被称为 " 时空 "。


　　爱因斯坦在他二十几岁的时候，就发现根据他的这个想法，能导致一系列意想不到的效果。比如，一个物体在接近光速时时间会变慢，在运动方向上长度会缩短。尽管看似不可思议，但相对论的这些预言都被实验所证实。然而，把时间和空间统一起来，仍然有一些问题。任何人都可以做一个简单实验，指出其中一个问题：我们可以在空间中静止不动，但在时间中却不行。
　　当然，还有其他难题。基本的物理法则从不考虑时间是怎么流逝的，不管时间向前流逝还是向后流逝，都会给出同样的答案。但从山川的侵蚀到万物的衰变，我们周围的一切似乎都在表明，时间的确有一个 " 箭头 "，从过去指向未来。





　　为了写一本书，米勒开始把所有关于时空的问题都整理起来。在写书的过程中，他头脑中闪现出了一个灵感。他意识到，时间的流逝可能是一段段新的时间不断产生带来的。
　　那么，一段时间是怎么创造出来的呢?米勒在时间和空间的统一性中找到了答案。自从 90 多年前发现宇宙在膨胀以来，科学家们不得不接受这样的观点：宇宙在膨胀过程中，不断有新的空间创造出来。米勒认为，因为时间和空间是同一个东西的不同方面，那么这也意味着宇宙的膨胀可以创造出时间。


　　" 每一时刻，宇宙变大一点，同时还多了一点时间。" 米勒解释道。这样，米勒就成功地解释了时间为何会流逝。他说，此时宇宙膨胀所产生的新的时间，就是我们所认为的 " 现在 "，而时间的流逝就是这些 " 现在 " 不断产生带来的。





　　创造时间的黑洞


　　米勒并不满足于此，他还想找到一种方法来检测他的理论。当时，米勒还没有找到一种可施行的检测办法，他选择写完他的书，并于 2016 年出版。这本书叫做《现在：物理的时间》。不过，就在他完成他的书的时候，LIGO 的科学家宣布检测到了引力波。这改变了一切。米勒意识到，LIGO 可以检测黑洞合并时创造时间的过程。因为在这个过程中，它们创造了大量新的三维空间，同时也能创造出新的时间。


　　黑洞以毁灭者而不是创造者闻名，它们能创造出新的时间和空间的想法，是非常违反直觉。为了阐明这究竟是怎么一回事，可以使用一个类比来理解。单一的黑洞，通常被描述为时空组成的一张橡皮膜上的一个漏斗形凹陷。这个凹陷的面积会大于原来平坦时的面积，因为橡皮膜被拉伸了。这个类比并不太完美，因为黑洞是三维的，而橡皮膜是二维的。但从中，你可以理解黑洞制造出了更多的时空。


　　如果我们可以见证一个黑洞的诞生，那么我们不仅能检测到创造出的新空间，我们应该也能检测到创造出的新时间。麻烦的是，不知道黑洞形成的精确时刻，你没有办法检测到创造出的新时间造成的影响。
　　而 LIGO 检测到引力波这个事件，给了米勒一个解决办法。这个引力波是两个黑洞合并时产生的。而在合并过程中，两个黑洞会以螺旋式方式彼此靠拢。根据合并前的运动状况，科学家可以十分精确地预测出两个黑洞何时发生合并。


　　米勒表示，黑洞的合并将再次创造出新的空间，因为最终的黑洞质量将比原来两个黑洞中的任何一个都大。他进行了粗略的计算，发现 2015 年 9 月的黑洞合并事件，将会在黑洞周围创造出数百万立方千米的新的三维空间，同时还会创造出一段一毫秒左右的时间。创造出的新时间，会导致黑洞最终合并为一个黑洞时产生的引力波在向外传播时，会多花费一段时间。LIGO 的科学家应该能发现，检测到的引力波信号存在一个短暂的延迟。




　　黑洞的合并能创造出新的空间以及时间


　　米勒不满足于粗略的计算，他随后与美国加州理工大学的相对论专家肖恩 · 马奎尔开始合作，用更严谨的数学进行了分析。他们最终确认，他们的理论是可行的，而且 LIGO 有能力检测新创造出的 " 现在 "。但他们发现，LIGO 第一次检测到的引力波信号略微弱了些，还不足以验证米勒的理论。米勒希望将来 LIGO 能够检测到更强的引力波信号，来验证他的理论。

　　米勒很乐观，认为过一两年就能检测到一个强信号。不过最近，他开始与一位同事一起在实验室里设计个实验，来测试他的想法。该实验涉及建造一个能测量本地微观空间和时间的非常复杂的时钟。米勒并不想透露出关于实验更多的细节，因为他们想成为这个研究领域的第一。


　　米勒还表示，他的同行们对他的研究比较感兴趣，而且他们还没有在他的理论中找到任何缺陷。也许，借助米勒和他的同事的实验，或一个来自深空的引力波信号，能让我们目睹时间创生的过程，并最终揭示出时间的本质。