宇宙物理學正面臨重大突破

文︱關品方

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

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

現在彈道導彈滿天飛，以色列最近威脅可能對伊朗動用核武器。軍事科普十分關鍵。例如，什么是彈道導彈？那是一種在火箭發動機推力作用下先按預定程序飛行、后按自由拋物體軌跡飛行的導彈，主要用于攻擊地面固定目標。它的飛行過程分為主動段和被動段：主動段由火箭發動機提供推力并在制導系統控制下飛行，關機后進入被動段，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）。美國的薩德系統理論上可以有效攔截進入被動段的彈道導彈。這里面涉及空間物理學和數學原理，離不開時間的元素。

那么，時間是什么？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點，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》。天體（例如地球）在空間保持三維垂直，它就必須運動。直線運動只有一維。圓圈運動只有二維。唯一能滿足三維垂直的運動，就是圓柱狀螺旋運動，一邊旋轉，一邊向前，每一刻都能重新生成三維垂直。這就是統一場論最震撼的結論，解釋了地球為什么自轉和公轉，轉個不停。空間以光速螺旋運動。光速和時間是兩個不同的概念。宇宙不是時間加空間，宇宙是以光速螺旋運動的空間。

為了維持三維垂直，必須以光速螺旋。粒子電場、引力質量、時間，全都是基于三維垂直原理，從空間螺旋運動衍生出來。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。

人類發出的無線電信號，飛100年才飛出我們所處的銀河系的0.1%；即百分之零點一的距離。如果明天地球毀滅，宇宙的99.9%的區域不會知道地球存在過。假如有外星文明此刻發現地球想來找我們，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，太陽系早就移動了多少億公里？他們感應到地球的坐標時，地球早已不在那個坐標上。光速不是橋梁，是永恒的囚籠，因為什么都快不過光速。地心吸力現在不再是人類永恒的囚籠，因為人類已有沖出地球的能力。

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域，它們的光將永遠無法到達地球這里。這就意味著宇宙星體正在遠離我們太陽系、把自己“藏起來”。根據NASA的觀測數據，可觀測宇宙的半徑是465億光年。人類能夠到達的極限只有160億光年，剩下的305億光年，就算人類此刻以光速出發，再也追不上那些正在遠離我們的星系。它們發出的光已永遠無法抵達地球。每過若干年就有一批星系會因為宇宙膨脹而永遠退出我們的視野，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鄰居，整個夜空將變成一片漆黑，再也沒有星光閃閃。到那時候，人類（如果地球仍在）抬頭看天，什么都看不見。這不是科幻，是空間物理學最冷酷的判決書。

光速和時間是完全不同的概念。愛因斯坦在1905年作出論斷，速度越快，時間越慢。這不是主觀感覺或哲學概念，是被實驗證實了的現象。1971年，美國物理學家哈菲爾和基廷共同做了一個著名的實驗。他們把兩臺原子鐘調校到完全一致，一臺留在地面，另一臺放上飛機，繞地球飛了一圈，結果飛機上那臺鐘比地面的那臺慢了59納秒。它證明了時間不是固定的，會被速度扭曲。

這意味著什么？假設你坐上一艘能達到光速99%的飛船在宇宙中飛行一年然后返回地球，會發現你的朋友和家人已經比你老了7歲。你只是出了趟遠門，但地球上的時間已經把你拋棄了。詩句是《山中方七日，世上已千年》。現實是《宇宙只365日，地上已7年》。如果速度再快一點，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。回來時你還活著，但你認識的所有人都已經化為塵土。這就是光速給宇宙設下的第一道閘門，時間不是絕對不變，和速度成“指數反比”。

宇宙還準備了第二道閘門。質量會隨著速度增加而增加，質量和速度成“指數正比”。歐洲核子研究中心的大型原子對撞機做過精確測量，一個質子被加速到光速90%，質量會變成靜止時的7倍，加速到99.9%時，會變成22倍。當速度無限接近光速時，質量會趨近于無窮大（infinity）。

無窮大是什么概念？它意味著整個宇宙的能量加起來都不能夠讓質子飛得再快那么一點點。宇宙的規則就是這樣，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。》我們現在已知道光速是每秒大約29.98萬公里，這個數字從宇宙大爆炸那一刻起，137億年來從未改變過。科學家計算過，如果光速快1%，原子核里的質子會直接散架。如果慢1%，恒星內部的核聚變無法啟動（例如太陽，因為核聚變而發光），整個宇宙會是一片黑暗死寂，沒有“閃閃星光”。光速是絕對數字，容錯率是零，不是接近零，是絕對的零。它是從宇宙之初就已經鑄刻在物理定律最底層的精確數字。

1926 年，美國物理學家邁克爾遜改進了測量光速的方法，使用旋轉八面棱鏡代替旋轉平面鏡，以延長光的路線來提高測量的時間精度，得出光速為每秒29萬9796公里。現代的光速測量技術是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算光速。1983年，光速被正式定為國際單位制的基礎常數，1米被定義為光在真空中傳播3.3356納秒所經過的距離。到如今成為定論（光速每秒299792458米）。

筆者認為，人類對自然科學的理解越多，越覺得人類的渺小。現在美以向伊朗發動戰爭，妹東戰事正酣，戰販在地球上推動人類互相殘殺，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。我們現在清楚知道，地球壽命還只有45億年，自轉會逐步變慢，公轉會逐步縮小，最后必定會被吸引到太陽附近、在某個節點燃燒然后化為灰燼。這個總重量高達60萬億億噸的地球，在宇宙間只是滄海一粟，孤獨地自己轉個不停，繞著太陽年復一年不停公轉，隨著太陽系不停地奔向宇宙的遠方。地球上，人類和自然物類是命運共同體。這是何等高瞻遠矚的大局觀？現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、不要戰爭；要建設，不要破壞。生活的目的在增進人類全體之生活，生命的意義在創造宇宙繼起之生命。這是林清玄散文中提到某中學禮堂的對聯，體現了對生命價值與人類責任的深刻思考。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，為萬世開太平”；集中體現了中國儒家知識分子的使命擔當與理想追求。在21世紀新時代變亂交織的今天，值得我們深刻思考，警惕帝國軍事金融霸權主義的極端危險性。

中國已官宣2030年或之前將會實現載人登陸月球。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劃，時間跨度至1972年。筆者估計，宇宙物理學正面臨重大突破。有關時間和光速之間更深層次的關系，筆者日后如有機會，另文再論。