时间的形状.汪洁.读书摘要

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1、波普尔的证伪说。所有的科学物理定律都是无法被证实的。理论满足“预
言”和“证伪”就能称之为科学理论。

利维坦按:麦克斯韦曾经发现,当磁场与电场被不断地相互转换,就会产生一种波,而这种波的速度恰恰就是光速。在1864年发现这一事实后,他预言性地写道:“这一速度与光速如此接近,看来我们有充分的理由相信光本身是一种电磁干扰。”

2、奥卡姆的剃刀原理。“如无必要,勿增实体”。对现象的解释的越少的描
述是最接近真相的描述:对现象解释最少的假设条件是最近进珍惜那个的假
设可能。上帝喜欢简单。

尔后的科学家对此予以了佐证,其中包括爱因斯坦:他认为,电场和磁场是一个四维光波的三维投影,打个比方说,就很像是你三维的身体因为阳光而投影成一个二维的影子。

3、伽利略的思维实验。就是根据已知条件进行推理,根据已知理论进行推导 。

这不是《三体》中的降维打击,只是说明我们看到的尚不完全。

4、佯谬。一开始让你觉得是不可能发生的,但是最后被实验证明千真万确的
。佯装是错误的,其实是正确的。

另外,这兄弟俩作画的方式实在是太吸引人了,和他们相比,维米尔的什么暗箱这种光学设备都显得太弱了……我们的瞳孔具有和相机一样的功能,如何将眼睛所看到的三维立体影像“如实”地记录在二维平面上呢?且看这哥俩儿观看世界的方式。

5、伽利略的自由落体定律:不考虑空气阻力,任何物体下落速度是一样的且
都是一个固定加速度

作为一个理论物理学家,我希望能将量子理论和爱因斯坦的广义相对论结合起来。虽然可以借用不少理论,比如弦理论和环量子引力,但仍旧困难重重。

  伽利略的惯性定律

爱因斯坦的理论告诉我们,引力是时空弯曲的结果。太阳扭曲了空间构造,就像睡觉的人压弯了床垫。包括地球在内的行星都沿着太阳制造的这个弯曲空间的轮廓运动。这个理论为揭示光的本质提供了重要见解。

  伽利略的相对性原理:在任何惯性系中,力学规律保持不变

当我凝视着这幅画时,我感觉艺术家似乎正在要求我重新审视光的本质。

6、意大利的伽利略发现光是有速度的。丹麦的罗默通过观测木星的卫星的“
月食”时间证明了光速的存在,并计算出光速伟22万公里/秒。法国的菲索用
齿轮法测出光速伟31.5万公里/秒。

量子力学谈到了我们的物理现实中的很多怪事。举个例子,就我们的经验而言,事物只能占据单一的空间区域。但是当一个量子微粒在空间中移动时,它可以同时行经所有的路径,就像每一个路径上都同时存在着这一个微粒一样。

7、英国的麦克斯韦发现了电和磁之间关系、电磁波的存在。德国的赫兹证明
了电磁波的存在,并测出电磁波传播速度为31.5万公里/秒。

近年来我一直在研究中受困,无法在自己早年的这一职业愿景中取得进展。量子力学谨慎承担着深入理论结构内部

原来,光就是一种电磁波。

作观察的角色,但事实证明,想要在量子态的时空内作观察对于量子力学还是个难题。

而且,光是唯一能在真空中传播的东西。

而去年夏天晚些时候,我取得了一个意想不到的突破。当时纽约科学院理事会成员贝丝·雅各布斯(Beth
Jacobs)邀请我和一些朋友去她纽约的住处欣赏双胞胎艺术家奥克斯兄弟的作品,他们近几年因为自己的画作以及画中运用的极富创造力的技术和创想而声名鹊起。

之前,牛顿的经典物理所说的物质只能在介质中传播。

奥克斯兄弟的作品《冬天盖蒂中心的欧文公园》(Irwin Gardens at the Getty
in
Winter,2011),这幅晦涩难解的画作画的是位于美国洛杉矶的盖蒂艺术博物馆内、由装置艺术家罗伯特·欧文(Robert
Irwin)设计的著名花园建筑,当时这幅画被放在雅各布斯那可以俯瞰中央公园的寓所阳台上,日落前被温暖的橘色天空点亮的纽约城是它的背景。

只要,证明光速在真空中不同的参考系中传播速度不一样,就证明了牛顿的
绝对空间和以太的存在

图片 2花园里的光:奥克斯兄弟的画作《冬天盖蒂中心的欧文花园》启发了本文作者重新思考量子力学和广义相对论。这幅绘在曲面纸上的巨细靡遗的作品促使观看者反思知觉本身。

8、麦克尔逊莫雷利用托马斯*杨的双缝干涉实验,根据牛顿经典物理理论应
该会得出,不同速度顺风逆风情况下的双缝干涉实验的明暗条纹会有所变化
。此实验不但没有证明以太的存在,反而证明了以太不存在。

当我凝视着这幅画时,我感觉艺术家似乎正在要求我重新审视光的本质。我开始意识到,当我推理和构想全新的原理来统一量子力学和广义相对论时,不仅应该考虑光的物理性质,也应该考虑光的信息是如何被观察者接收的。其实当时我已经走上了类似的受到艺术启发的道路,正在通过对摄影师、多媒体艺术家山姆·海特(Sam
Heydt)的“划痕电影”作品(译注:scratch-film,艺术家海特所从事的艺术探索,用各色墨水、刮擦工具在电影胶片上直接进行艺术创作,由此形成新的影像作品)研究对时间的感知和量子不确定性,他的作品唤起了我对时间弯曲的新想法。我的心智已经准备好要接受新的灵感了,恰好这时候奥克斯兄弟就出现了。

9、爱因斯坦。电磁波的速度不是电场震荡产生磁场、磁场震荡产生电场、循
环下去的震荡速度。而是电场震荡产生磁场、磁场震荡产生电场、循环下去
的反应速度。震荡速度可以改变,但是反应速度是恒定的。一队士兵在静止
的广场上报数的速度和在高速行驶的火车上报数的速度是一样的。

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所以,在任何参考系中,真空中传播的光的速度都是C。

图片 4正在花园里进行创作的奥克斯兄弟

10、萨尔维柯蒂之船。我被关在一艘大船船舱中,舱内有浴缸和鱼、有水瓶
在滴水、有小鸟在飞,你可以观察小鸟的飞行、游泳的鱼和水滴的轨迹,但
是你无法通过这些情况判断船是静止的还是匀速直线的。这也间接证明了光
速是恒定的,否则我们就能计算出船的运动状态。

瑞恩·奥克斯(Ryan Oakes)和特雷弗·奥克斯(Trevor
Oakes),今年35岁,自孩提时代就已经在探索视觉感知和光的物理性质的影响和交集了。在进入纽约市的库伯高等科学艺术联盟学院(位于美国纽约曼哈顿地区的著名私立大学)学习后,加上多年的实验和新技巧的探索,这对双胞胎提出这样的创见:当光的信息来自一个球面时,我们可以更好地了解这个信息。

所以,在任何参考系中,所有物理定律保持不变。

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11、环球快车谋杀案。快车上的监控证明光同时到达决斗双方。车站的监控
证明光不是同时到达决斗双方。而光速是恒定的,说明时间本身,对于车站
监控来说,变慢了。也就是时间膨胀了。

图片 6双胞胎艺术家使用凹形画布来创作和展示他们的画作

12、洛伦兹变换式说明空间会收缩,速度快空间会收缩。也就是说:在环球
快车上,在车站静止的人看快车上的人,快车上的人变瘦了。

劳伦斯·韦施勒(Lawrence
Weschler)就此做了很好的总结。2014年,韦施勒在纽约的国家数学博物馆为双胞胎艺术家策划了一个回顾展。他写道,这对兄弟“促成了文艺复兴以来在描述物理现实方面的最迷人的突破之一:他们创造了这样一种方法,在完全依靠自己的肉眼而没有任何光学设备(没有透镜、没有针孔)辅助的情况下,将眼前的世界像相机显影一样显现出来”。

13、光速极限。指任何能量和信息的传递无法超越达到或超过光速。但是在
后来的量子力学中,微观世界的量子纠缠超越了光速。

既然奥克斯兄弟已经成为我的灵感,我马上开始深入研究他们的作品。我看到他们作品的魔法背后是实验、直觉加上估猜的尝试,以及足以媲美一流物理学家的技术。双胞胎启发我思考艺术与科学之间融会贯通的复杂方式,并将我的想法延伸甚广,艺术家与科学家之间的对话与合作还有巨大的未知领域可以开拓。艺术家和科学家共同开发与发展技术来揭示隐藏着的现实,这种方式可以为艺术和科学牵线,使我们得以致力于解决正逼视着我们的问题。

14、狭义相对论中只考虑了时间、空间、运动三者之间的关系。而广义相对
论则讨论了时间、空间、运动、引力(加速度)四者之间的关系。所以双胞
胎兄弟谁会变老的问题就被广义相对论很好的解决了。

更绝无仅有的是,双胞胎艺术家使用凹形画布来创作和展示他们的画作,他们将作品中的细节作圆形像素化这一点更是令我着迷。这让我想起了梵高在晚年作画时所使用的技巧,如色彩的光线反射,纹理深度上带来了额外维度的效果等。由画作的阴影部分,人们可以从二维的画布上感受到三维的信息。同样地,双胞胎兄弟对于圆形的运用和其中的技巧也让我着迷。

15、哥哥驾驶亚光速飞船远离地球。对于哥哥来说,弟弟和地球一起远离自
己而去,根据狭义相对论的时间膨胀和空间收缩理论,弟弟的时间膨胀,弟
弟会变得比自己年轻。对于弟弟来说,哥哥和飞船一起远离自己而去,根据
狭义相对论的时间膨胀和空间收缩理论,哥哥的时间膨胀,哥哥会变得比自
己年轻。到底谁会变老?谁会变年轻?答案是:根据广义相对论,谁的加速
度更高谁就会变年轻。如果哥哥飞船掉头驶向地球,那么哥哥的加速度是亚
光速、弟弟的加速度是地球公转速度,所以弟弟会变老。如果弟弟从地球驾
驶一个速度大于哥哥飞船速度的飞船追赶哥哥,那么追上的时候哥哥的加速
度小于弟弟加速度所以会变老。但是如果弟弟追上后和哥哥再一起回地球,
那么地球的人全部都会变老了。

图片 7在远方:上面这幅奥克斯兄弟的作品《海洋纹理2》(Ocean
Texture
2)处理的是不断隐退的空间概念。“当我们用双眼观看真实世界时,事实上空间好像是向着深处不断收缩变小的,”他们解释说,“这个特点是由眼睛的球面结构造成的,同一个物体,放在眼前会比放在50码以外占据你的视野更大的部分。”

15、引力的本质。引力会引起光线传播的弯曲,因为光要走最短的路径,因
为有引力的空间是弯曲的,那么光走过的最短的路线就是一个曲线,所以引
力会引起光线传播弯曲。

奥克斯兄弟也促使我思考所谓“思想实验”的传统,爱因斯坦用这个作为阐释和表达的方法。在对视知觉所作的多年实验中,兄弟俩为视觉信息的物理形式梳理出了一种理解方式。

同理:扔出去的小球也会走最短路线,如果没有引力,小球会做直线运动一
直飞下去。有引力,那么小球会落在地上,轨迹就是一条抛物线,就是对于
小球来说做的最短的路径。

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所以得出:引力是空间弯曲后的一种外在表现。

他们曾在一份邮件中解释说,“我们的眼睛只能看到那些恰好落入眼睛范围的光线。总的来说,任何恰好汇入我们瞳孔之中的光线都会呈放射状以扇形分布开来,每一条光线都好像是跟一个隐形球体的表面垂直的。世界上的所有事物都可能是无规则和变化的,但是从人类的知觉来说,我们恰好处在那个带有无规则事物信息的接收光子的球体中心。”

16、引力波。地球在空间中把周围的空间挤压弯曲,有的流星从地球旁边弯
曲空间过去了,会引起地球引力变化。有的流星从地球旁边弯曲空间没有过
去,掉向了地球,也会引起地球引力变化。这种引力变化叫做引力震荡。

图片 9特雷弗·奥克斯向观众展示他与兄弟创作的凹面作品

引力波就是引力震荡。空间弯曲就会有引力波。

为了探寻这种几何面向的知觉,兄弟俩选择在球形的画布上创作自己的艺术品,而非传统作画的那种平面。利用一个凹形的表面来绘成盖蒂中心这样的场景,特雷弗·奥克斯表示,“这样是跟光线的样态保持一致,比起在平面上的创作更有道理。”

17、爱因斯坦的星光实验。同样一颗恒星在日全食时和非日全食时被地球上
的观测者观测到的位置不一样。就证明了光线被弯曲,引力的存在,空间是
弯曲的。

但是光的物理学对于奥克斯兄弟的发现和使用的技巧会怎么理解呢?实际上有相当多的解释。故事要从19世纪60年代说起,当时麦克斯韦(James
Clerk
Maxwell)发现电与磁统一于电磁场之中,二者相互依存。这个发现意味着,光是电场和磁场以波的形式(也就是电磁波)以光速在空间中移动带来的波动。

18、根据爱因斯坦的相对论。宇宙是一张网,网上的星体质量越大,网就会
凹陷的越深。经过凹陷旁边的运动的星体就需要越高的速度才能使经过而不
是坠毁,这就是逃逸速度。

奥克斯兄弟启发我思考艺术与科学之间融会贯通的复杂方式。

质量越大,时空越弯曲,凹陷就越深,逃逸速度就越大。如果连光从旁边经
过都无法逃逸,那么这个星体就是黑洞

以麦克斯韦的电磁学为基础,年轻的爱因斯坦想出了这样一个思想实验,“如果我追一束光……(如果追得上的话)那么即便空间不停震荡,作为电磁波的这束光也应该是静止不动的。但是根本不可能出现这样的事情。”他的这种思考技能仰赖于直觉、创造力以及对于物理学的基本理解。

逃逸速度跟星体的质量和半径有关。

爱因斯坦试图设想的是,如果他能设法追上波形的光并作观察之后这个世界会是什么样子。他推论认为,如果真的这样的话,那么他就会发现那一刻电磁波处于静止状态。爱因斯坦意识到这会产生一个悖论:从麦克斯韦的理论出发,根本不可能出现波形的光会静止不动的状况。解决这个悖论的方法就是他发现相对论的核心:即使你能无限逼近它,光的速度也总是一个固定的值。可这怎么可能呢?

史瓦西半径。任何有质量物体的半径达到一个临界值就会变成黑洞。地球半
径被压缩到9毫米就会坍塌成黑洞,太阳半径压缩到3千米。

图片 10电磁波:这幅图显示了电场和磁场是如何在垂直的方向上震荡的

19、黑洞。黑洞无法被观测到,因为光无法逃逸。但是黑洞的质量和引力造
成的周围的时空弯曲可以被观测到。

爱因斯坦意识到,如果一个人能走得足够快,那么他的手表可能会比原地不动的人要走得慢一些。似乎说起来很奇怪,但这是真的。这意味着当你的速度接近光速时,由于从感觉上说时间是变慢了的,而且物体运动的速度取决于在一个既定时间段内走过的距离,但是光还是会以相同的速度前进,就像那个原地不动的人身上发生的一样。

黑洞就是把时间和空间都弯曲成了一个洞。空间被扭曲成一个洞,所有经过
黑洞边缘的物体都无法逃逸被吞噬。时间被扭曲成洞,是时间在黑洞中停止
了,黑洞边缘的时间被无限拉长。如果一个人被黑洞吞噬,对于这个人本身
来说,被吞噬只不过是瞬间,但是对于其他观测者来说,此人被吞噬的时间
被无限拉长,也就是说对于观测者来说,需要成百上千上万年的时间也不一
定能够看完这个吞噬的过程。

相对论的核心就是意识到要如何解决这个悖论,空间和时间必须统一在一个四维时空之中。因此,时间和空间不再是绝对的,而是取决于移动的速度有多快。此外,光并非分别存在于时间或空间当中,它也不是仅仅存在于时间中的、分布在空间内的波。跟时间和空间一样,光本身也是一个四维的实体。从这个观点出发,爱因斯坦认识到电场和磁场是一个四维光波的三维投影,打个比方说,就很像是你三维的身体因为阳光而投影成一个二维的影子。

20、虫洞。就是两个黑洞底部连接。也叫做:爱因斯坦-罗森塔尔桥。

只有通过上面这个解释,我们才能正确理解双胞胎兄弟对于球面的应用。在此之前,我们还需要进行一个类比来增进了解。

21、宇宙大爆炸。

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爱因斯坦的广义相对论经过计算得出宇宙是膨胀的或者收缩的、是不稳定的 。

想象一下往池塘里扔石子,每次只要扔一块石子就能看到从石头的落水点开始泛起的圆形波浪。水的表面是二维的,形成的圆形波浪会持续向外扩散——即便将这件事置于三维环境中,也是可以类比的——波会像一个不断变大的气泡一样向外扩散。

哈勃观测到所有星体加速离我们而去,距离越远速度越快。证明是宇宙是膨
胀的。由此预言:宇宙是从一个奇点膨胀而来的,论据是最初的膨胀开始产
生的辐射会随着时间距离推移被无限拉伸。就是哈勃红移。

真正晦涩难解的其实是,奥克斯兄弟这种取得独到见解的方式竟然跟一个理论物理学家发现新真理的方式一样。

彭齐亚斯和威尔逊的发现了宇宙背景微博辐射。证明了宇宙大爆炸的存在。

使用这种物理描述还是为了解释光。在这个例子里面,石子击中水面可以跟光进入你的眼睛来类比。就像双胞胎兄弟准确地发现光会以一种球形的光波的样态从光源(画布上的每一点)散射开来那样。但是,为什么光会以一种球形的波的样态在空间中移动呢?这里就必须要解释一下光的四维时空了。而这也是我对双胞胎兄弟利用凹面和球形来表达的背后的直觉,所感到着迷的地方,这种方式呈现的是他们带有自身知觉的实验性的技巧和光物理学方面的理论知识。

22、牛奶是由牛和奶两个字组成的,但是牛奶不是牛和奶这两样东西组成的,只能说牛奶和牛、奶有关系。