科学认识君的《通俗物理100课》系列

【第16课：科幻电影中的物理学】

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相信你听到过多次虫洞，反物质，负能量这样的物理术语。听起来很高大上，但很多人就是听个大概，甚至连其中的概念都搞不清就开始人与亦云了。我希望这篇文章能给你带来知识收获，以后讲给别人这些术语时，也能轻松自如。

现在很多科幻电影都有穿越虫洞的设定。当然，这些科幻的思想在牛顿力学统治的时代是难以想象的。在牛顿老爷子眼中，这些都是无稽之谈。自然界还是老老实实遵守我的力学定律吧！

当然，后人还是打破了牛顿的束缚！爱因斯坦早在清朝末年就发表了狭义相对论，也就是你们常听到的“速度越快，时间越慢，质量也就越大”的理论来源。可是在当时人看来，相对论那一套没什么用。因为速度起码要达到光速的10%，相对论效应才能发挥出显著的影响。

爱因斯坦

没过多久，科学家发现原子内的微观粒子的运动速度很快啊，好像相对论终于有点实际用处了，因为相对论可以描述粒子的高速运动的时空规律。

后来一个名为狄拉克的物理学心想：既然核外电子运动如此快，那它的相对论效应就比较显著。这时候我就来算算电子的相对论效应，并推导出狄拉克方程。

狄拉克

最后狄拉克发现这个方程有两个解，就和y=x²一样。x=1或者-1。狄拉克肯定会取1，因为1是正数，那就对应真实的自然现象。但为了自圆其说，也不得不给负值安排上。既然正值是带负电的电子能量，那么负值就是一种与电子性质相反的粒子，这就是后来的正电子。

狄拉克方程的解预言了正电子，这也是人类发现的第一个反物质

电子的反物质就是正电子。当然，现代科学发现每个粒子都有一种旗鼓相当的对手，它们只要碰头，不拼个同归于尽誓不罢休。

这就是物质和它的反物质。正粒子─反粒子这两哥们也都是空手套白狼。一开始，它们并不存在与空间中，因为它们连能量都没有。

但这两哥们发现个一个天大的秘密，就是可以在真空中借能量，借来的能量可以转变成质量，于是这哥俩获得了质量就可以诞生于世了，可以看见这花花世界了。

真空给正─反粒子说：反正我不管，我唯一的使命就是遵守能量守恒定律的誓约，我可以为了人情而暂时违约，悄悄借给你们能量，但你俩必须借多少还多少，这样我还依旧遵守能量守恒定律。

正─反粒子这俩哥们也算是有良心，人家真空借你们能量，让你们感受一下世界就行了。可别想着不还，于是它俩感受世界之后，就拥抱在一起湮灭了，湮灭释放的能量就又还给宇宙了。

正—反物质湮灭归还能量

事实上，宇宙中每个角落的真空无时无刻都在上演着：正─反粒子借了能量而凭空产生了，能量守恒定律暂时被打破→正─反粒子存留极短时间感受世界→相互湮灭，释放能量，能量守恒定律又被遵守。

所以真空并不空。从微观尺度看，真空中可热闹着呢，一直上演着凭空产生正─反粒子，又凭空消失的“魔术”。这种现象也称真空的狄拉克之海

狄拉克之海

可有时候，正─反粒子在“特殊”空间内诞生─湮灭着。它们也算是倒了霉了，因为它们刚好在黑洞视界周围蹦跶。

正─反粒子在黑洞视界边缘玩的不亦乐乎，陶醉其中，一会借真空的能量，一会又湮灭还了能量，嚣张得不行。可不幸地是，正─反粒子刚从真空中借了能量而凭空冒出来了。就在这时，其正─反粒子对的其中一个粒子刚好达到了被黑洞引力吸到视界内的临界条件，于是它再也不会出来了。

其中一个粒子被吸入黑洞

留在黑洞外的粒子一脸懵逼，不是说好的待会要一起把能量还给真空吗？你就这么走了，留下我可咋活呢？咋给人家真空偿还能量？于是留在黑洞外的粒子欠了真空一屁股能量。这就是黑洞霍金辐射。

真空就给留在黑洞外的粒子要债说：当初你俩可给我答应好的，这能量是我凭空借给你们的，现在你俩不能湮灭了，也就还不了能量了。但是我账面上必须借出去多少能量，就收回多少能量。要不然我就毁了“宇宙中总能量守恒”的家法。

真空最后也发现这货打死也还不上能量了，就只能想其他办法了。于是宇宙就自动开启校对模式。落入黑洞的那个粒子必须从黑洞内“偷”能量，以填补黑洞视界外的粒子额外携带的能量。

事实上，黑洞视界边缘每时每刻都有无数多个正─反粒子被黑洞引力拆开。落单在黑洞外的粒子获得额外能量，落单在黑洞内的粒子必须抵消掉黑洞外的反粒子额外携带的能量。也就是说，黑洞外的粒子欠真空的能量，必须由落入黑洞内的反粒子偿还。这道理就相当，你和你的好哥们共同在银行贷了一笔款，最后你哥们卷着钱跑路了。银行最后只找你要账。你就是做贼也得把钱还喽！

于是落单到黑洞里的粒子就不断偷黑洞的能量，导致黑洞越来越小。偷走能量的粒子就好像携带了负能量一样，吸收宇宙的能量，以维持能量守恒定律。

而虫洞就是连接黑洞和白洞的时空隧道。但虫洞的入口在引力作用下会被锁死。我们必须靠一种力量抵消掉虫洞内的自身引力，才能撑大这个入口？那就是斥力。

虫洞

引力产生的能量是正能量，而斥力对应的能量就是负能量。我们可以利用负能量制造斥力，撑大虫洞的入口，并进行时间旅行。

这里要强调，反物质携带的依旧是正能量，而不是负能量。负能量只能由负质量的粒子携带，目前负质量的粒子还未找到。

现在科学家推测，宇宙大爆炸之后正反物质的数量相当，其中很大部分正反物质湮灭了。但是为什么现在宇宙还能存在？ 不应该所有正反物质都刚好湮灭吗？ 科学家目前还没有搞清楚现有宇宙的正反物质不对称的问题。

费恩曼

当然，物理学家费恩曼提供了一种思路

费恩曼曾经把狄拉克方程中的时间轴修改为负值，为了方程依旧成立，那就需要另一个项也变成负值，毕竟负负得正嘛，因为公式起初是正时间和正物质！所以原本反物质选项的值变成负值，也就变成正物质了。得到的结果就是：反物质只是逆着时间方向运动的正物质，学名叫CPT对称！

左为正物质时空图，右为反物质时空图

费恩曼和他的导师惠勒提出进一步假说，得到了惊人的结论：宇宙大爆炸之初，一部分物质顺着时间轴运动(正物质)，一部分逆着时间轴运动(反物质)。顺着时间轴运动的物质时间顺序是从宇宙大爆炸→宇宙大灭绝。逆着时间轴的物质时间顺序是从宇宙大灭绝→宇宙大爆炸。宇宙爆炸点和宇宙灭绝点是同一个点，既是宇宙的起点也是宇宙的末点。就好像圆圈中的一点，逆时针可以重回起点，顺时针也可以重回起点。宇宙就好像在奇点大爆炸和宇宙大毁灭之间进行无数次周期循环！

宇宙周期循环

当然，这只是基于解决狄拉克公式而引出的数学项。宇宙周期大循环也是基于数学上的猜想。至于是否对应真实的自然现象我们暂且不知！