科學認識君的《通俗實體100課》系列
【第16課：科幻電影中的實體學】
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相信你聽到過多次蟲洞，反物質，負能量這樣的實體術語。聽起來很高大上，但很多人就是聽個大概，甚至連其中的概念都搞不清就開始人與亦雲了。我希望這篇文章能給你帶來知識收獲，以後講給别人這些術語時，也能輕松自如。
現在很多科幻電影都有穿越蟲洞的設定。當然，這些科幻的思想在牛頓力學統治的時代是難以想象的。在牛頓老爺子眼中，這些都是無稽之談。自然界還是老老實實遵守我的力學定律吧！
當然，後人還是打破了牛頓的束縛！愛因斯坦早在清朝末年就發表了狹義相對論，也就是你們常聽到的“速度越快，時間越慢，品質也就越大”的理論來源。可是在當時人看來，相對論那一套沒什麼用。因為速度起碼要達到光速的10%，相對論效應才能發揮出顯著的影響。
愛因斯坦
沒過多久，科學家發現原子内的微觀粒子的運動速度很快啊，好像相對論終于有點實際用處了，因為相對論可以描述粒子的高速運動的時空規律。
後來一個名為狄拉克的實體學心想：既然核外電子運動如此快，那它的相對論效應就比較顯著。這時候我就來算算電子的相對論效應，并推導出狄拉克方程。
狄拉克
最後狄拉克發現這個方程有兩個解，就和y=x²一樣。x=1或者-1。狄拉克肯定會取1，因為1是正數，那就對應真實的自然現象。但為了自圓其說，也不得不給負值安排上。既然正值是帶負電的電子能量，那麼負值就是一種與電子性質相反的粒子，這就是後來的正電子。
電子的反物質就是正電子。當然，現代科學發現每個粒子都有一種旗鼓相當的對手，它們隻要碰頭，不拼個同歸于盡誓不罷休。
這就是物質和它的反物質。正粒子─反粒子這兩哥們也都是空手套白狼。一開始，它們并不存在與空間中，因為它們連能量都沒有。
但這兩哥們發現個一個天大的秘密，就是可以在真空中借能量，借來的能量可以轉變成品質，于是這哥倆獲得了品質就可以誕生于世了，可以看見這花花世界了。
真空給正─反粒子說：反正我不管，我唯一的使命就是遵守能量守恒定律的誓約，我可以為了人情而暫時違約，悄悄借給你們能量，但你倆必須借多少還多少，這樣我還依舊遵守能量守恒定律。
正─反粒子這倆哥們也算是有良心，人家真空借你們能量，讓你們感受一下世界就行了。可别想着不還，于是它倆感受世界之後，就擁抱在一起湮滅了，湮滅釋放的能量就又還給宇宙了。
正—反物質湮滅歸還能量
事實上，宇宙中每個角落的真空無時無刻都在上演着：正─反粒子借了能量而憑空産生了，能量守恒定律暫時被打破→正─反粒子存留極短時間感受世界→互相湮滅，釋放能量，能量守恒定律又被遵守。
是以真空并不空。從微觀尺度看，真空中可熱鬧着呢，一直上演着憑空産生正─反粒子，又憑空消失的“魔術”。這種現象也稱真空的狄拉克之海
狄拉克之海
可有時候，正─反粒子在“特殊”空間内誕生─湮滅着。它們也算是倒了黴了，因為它們剛好在黑洞視界周圍蹦跶。
正─反粒子在黑洞視界邊緣玩的不亦樂乎，陶醉其中，一會借真空的能量，一會又湮滅還了能量，嚣張得不行。可不幸地是，正─反粒子剛從真空中借了能量而憑空冒出來了。就在這時，其正─反粒子對的其中一個粒子剛好達到了被黑洞引力吸到視界内的臨界條件，于是它再也不會出來了。
其中一個粒子被吸入黑洞
留在黑洞外的粒子一臉懵逼，不是說好的待會要一起把能量還給真空嗎？你就這麼走了，留下我可咋活呢？咋給人家真空償還能量？于是留在黑洞外的粒子欠了真空一屁股能量。這就是黑洞霍金輻射。
真空就給留在黑洞外的粒子要債說：當初你倆可給我答應好的，這能量是我憑空借給你們的，現在你倆不能湮滅了，也就還不了能量了。但是我賬面上必須借出去多少能量，就收回多少能量。要不然我就毀了“宇宙中總能量守恒”的家法。
真空最後也發現這貨打死也還不上能量了，就隻能想其他辦法了。于是宇宙就自動開啟校對模式。落入黑洞的那個粒子必須從黑洞内“偷”能量，以填補黑洞視界外的粒子額外攜帶的能量。
事實上，黑洞視界邊緣每時每刻都有無數多個正─反粒子被黑洞引力拆開。落單在黑洞外的粒子獲得額外能量，落單在黑洞内的粒子必須抵消掉黑洞外的反粒子額外攜帶的能量。也就是說，黑洞外的粒子欠真空的能量，必須由落入黑洞内的反粒子償還。這道理就相當，你和你的好哥們共同在銀行貸了一筆款，最後你哥們卷着錢跑路了。銀行最後隻找你要賬。你就是做賊也得把錢還喽！
于是落單到黑洞裡的粒子就不斷偷黑洞的能量，導緻黑洞越來越小。偷走能量的粒子就好像攜帶了負能量一樣，吸收宇宙的能量，以維持能量守恒定律。
而蟲洞就是連接配接黑洞和白洞的時空隧道。但蟲洞的入口在引力作用下會被鎖死。我們必須靠一種力量抵消掉蟲洞内的自身引力，才能撐大這個入口？那就是斥力。
蟲洞
引力産生的能量是正能量，而斥力對應的能量就是負能量。我們可以利用負能量制造斥力，撐大蟲洞的入口，并進行時間旅行。
這裡要強調，反物質攜帶的依舊是正能量，而不是負能量。負能量隻能由負品質的粒子攜帶，目前負品質的粒子還未找到。
現在科學家推測，宇宙大爆炸之後正反物質的數量相當，其中很大部分正反物質湮滅了。但是為什麼現在宇宙還能存在？ 不應該所有正反物質都剛好湮滅嗎？ 科學家目前還沒有搞清楚現有宇宙的正反物質不對稱的問題。
費恩曼
費恩曼曾經把狄拉克方程中的時間軸修改為負值，為了方程依舊成立，那就需要另一個項也變成負值，畢竟負負得正嘛，因為公式起初是正時間和正物質！是以原本反物質選項的值變成負值，也就變成正物質了。得到的結果就是：反物質隻是逆着時間方向運動的正物質，學名叫cpt對稱！
左為正物質時空圖，右為反物質時空圖
費恩曼和他的導師惠勒提出進一步假說，得到了驚人的結論：宇宙大爆炸之初，一部分物質順着時間軸運動(正物質)，一部分逆着時間軸運動(反物質)。順着時間軸運動的物質時間順序是從宇宙大爆炸→宇宙大滅絕。逆着時間軸的物質時間順序是從宇宙大滅絕→宇宙大爆炸。宇宙爆炸點和宇宙滅絕點是同一個點，既是宇宙的起點也是宇宙的末點。就好像圓圈中的一點，逆時針可以重回起點，順時針也可以重回起點。宇宙就好像在奇點大爆炸和宇宙大毀滅之間進行無數次周期循環！
宇宙周期循環
當然，這隻是基于解決狄拉克公式而引出的數學項。宇宙周期大循環也是基于數學上的猜想。至于是否對應真實的自然現象我們暫且不知！