Ask physicist Carlo Rovelli - black holes, white holes, and more

The Royal Institution

22 Apr 202413:09

Summary

TLDR在这段视频脚本中，物理学家卡洛·罗韦利（Carlo Rovelli）分享了他对宇宙和物理学的深刻见解。他首先提出了一个有趣的问题，即如果有机会向一个外星超级智能生物或超级计算机提问，他会问什么。罗韦利选择了一个关于感受的问题，表达了他对探索未知的渴望。接着，他深入讨论了白洞的概念，解释了它们与黑洞的关系以及它们在宇宙中可能的存在形式。罗韦利还探讨了宇宙中零和无穷的概念，以及时间的单向性问题，他认为时间的方向性既不是大脑的感知，也不是时间本身的属性，而是宇宙特定历史的一种表现。最后，他提到了他的研究重点——白洞，并推荐了他的书籍，这本书不仅涵盖了他的研究成果，还分享了他在理论研究中的情感体验和思考过程。

Takeaways

🤔 卡洛·罗韦利认为，如果向一个全知的外星生物或超级计算机提问，他会选择询问它的感受和存在状态，而不是宇宙的秘密。
❓ 关于白洞是否存在的问题，罗韦利认为白洞是可能存在的，它们可能是黑洞的未来状态，物质从黑洞进入后出现在白洞中。
🔭 目前白洞的存在尚未在宇宙中得到证实，但理论上已经有很好的描述。它们可能是暗物质的候选者，尽管这需要复杂的理论工作来验证。
🚀 直接探测白洞是可能的，尽管当前技术还无法实现，但未来可能会发展出相应的探测技术。
🌌 宇宙是否真的存在零和无穷大？罗韦利认为，宇宙中确实有可以计数为零的事物，但无穷大是一个更微妙的概念，宇宙和空间不能无限分割。
⏳ 时间的单向性既不是大脑感知的结果，也不是时间本身的属性，而是由于宇宙的特定排列方式，导致了过去和未来的差异。
📚 罗韦利的书不仅讲述了关于白洞的研究，还涉及了理论研究的过程、情感和思考方式。
🧐 罗韦利提出，尽管物理定律本身不区分过去和未来，但宇宙的熵增方向性体现了时间的箭头。
📈 他的主要工作集中在量子引力领域，试图计算空间的最小单位，证明空间不能无限分割。
🌟 黑洞内部的奇点并不是位于中心的某一点，而是存在于未来，无论你在黑洞的哪个位置，最终都会被奇点挤压。
🕳️ 白洞和黑洞非常相似，它们通过时间反转相互关联，如果我们将黑洞的影像倒放，就会得到白洞。
🔬 罗韦利认为，尽管我们对黑洞内部和奇点有一定的了解，但对于穿过奇点后会发生什么，仍是基础物理学中的一个未解之谜。

Q & A

如果卡洛·罗韦利只能向来自另一个星球的超智能生物或超级计算机问一个问题，他会问什么？
-卡洛·罗韦利会问：'你感觉如何？在一个不同的星球上感觉如何？知道一切是什么感觉？它是否给你带来快乐？' 然后他会保留自己的乐趣，尝试发现宇宙中已知的事物。
白洞是黑洞的对立面吗？它们之间是否存在跨维度的相互作用？
-白洞是爱因斯坦广义相对论方程的一个特定解，描述了宇宙中可能发生的现象。白洞和黑洞非常相似，实际上它们通过时间反演相互关联。在黑洞内部，无论你在哪里，最终都会被奇点挤压，而奇点并不是在空间中的一个点，而是在未来。
白洞真的存在吗？如果存在，它们抛出的物质来自哪里？
-白洞确实可以存在。当你在黑洞内部，物质向你挤压时，接下来你会发现自己在白洞中。所有原本在黑洞内部的物质都会发现自己在白洞中。白洞抛出的物质来自之前进入黑洞的物质。
我们如何能够看到或检测到白洞？
-我们可以通过两种方式检测白洞：一是通过观察它们的影响并与自然界中观察到的现象进行比较，看是否可能是白洞；二是通过直接探测，比如构建一种机器等待白洞经过并检测到它。
暗物质可能是由许多小的白洞组成的吗？
-这是一种可能性，但需要复杂的理论工作来验证这个假设是否合理，包括考虑黑洞在过去是否可能形成、衰变成为白洞，以及这是否与宇宙学相一致。
宇宙中真的有零和无穷大吗？
-宇宙中确实有可以计数为零的事物。至于无穷大，它更微妙，因为我们经常使用无穷大来描述宇宙，比如空间中有无限多个点。但现实中，没有什么是真正的无限。宇宙不是无限的，空间不能无限分割。
时间本身是单向的，还是只是我们大脑感知的方式？
-时间的方向既不是依赖我们的大脑，也不是时间本身的属性。正确的答案是两者都不是。我们研究的现象，即使我们的大脑与之无关，也显示出时间的方向。另一方面，我们知道物理的基本定律并不区分过去和未来。时间的方向是由宇宙的特定历史决定的，我们用熵的概念来捕捉这种差异。
卡洛·罗韦利在量子引力领域的主要工作是什么？
-卡洛·罗韦利的主要工作是试图基于爱因斯坦的理论和量子力学来计算空间的最小单元大小，这表明空间不能无限分割。
白洞的研究对理解宇宙有什么重要意义？
-白洞的研究有助于我们理解黑洞和宇宙的演化过程。白洞可能存在于宇宙中，并且可能与暗物质有关，这为我们提供了探索宇宙奥秘的新途径。
卡洛·罗韦利的书《七堂极简物理课》主要讲述了哪些内容？
-这本书不仅讲述了白洞，还讲述了进行理论研究的过程，包括在已知知识的边缘进行猜测，尝试想象我们的知识片段如何组合在一起，以告诉我们更多超越当前知识的内容。书中还涉及了很多个人感受、情感、担忧以及进行理论研究的思考方式。
如何理解黑洞和白洞之间的关系？
-黑洞和白洞通过时间反演相互关联。在黑洞内部，物质只能向中心聚集，而在白洞中，物质只能向外抛出。黑洞内部的物质最终会在白洞中出现，这意味着两者之间存在一种转换关系。
为什么说时间的方向是由宇宙的特定历史决定的？
-时间的方向是由宇宙从过去到未来的特定排列方式决定的。宇宙在过去的低熵状态和未来的高熵状态之间的这种差异，定义了时间的一个特定方向，即从过去向未来的熵增方向。
卡洛·罗韦利如何看待理论物理学研究中的个人感受和情感？
-卡洛·罗韦利认为理论物理学研究不仅仅是理性的思考，还涉及到个人的感受、情感、担忧和恐惧。他在书中分享了他在进行理论研究时的个人体验，包括对未知的好奇、对错误的恐惧以及对新发现的兴奋。

Outlines

00:00

🌌 宇宙探索：与超智能生物的对话

Carlo Rovelli，一位物理学家，在视频中回答了观众的一些问题。他提出了一个假设性问题，如果他有机会向一个来自外星的超智能生物或一个知道宇宙一切的超级计算机提问，他会选择问：“你感觉如何？在另一个星球上的感觉如何？知道一切是什么感觉？这是否给你带来了快乐？”Rovelli表达了他对于探索宇宙未知事物的渴望，即使外星生物或超级计算机已经知晓答案。

05:01

🌟 白洞与黑洞：宇宙的另一端

Rovelli讨论了白洞和黑洞的概念，指出白洞是爱因斯坦广义相对论方程的一个解，描述了宇宙中可能发生的现象。他解释了白洞和黑洞之间的相似性，以及它们是如何通过时间反转相互关联的。Rovelli还探讨了黑洞内部和奇点的本质，以及物质如何从黑洞转移到白洞。他提到，尽管理论已经很好地描述了白洞，但我们仍不确定它们是否真实存在于宇宙中。他提出了两种可能的探测白洞的方法：通过观察它们对周围环境的影响，或通过直接探测。此外，他还提出了一个假设，即暗物质可能由许多小的白洞组成。

10:04

⚛️ 宇宙的数学语言：零与无限

Rovelli讨论了宇宙中零和无限的概念，指出这些数学概念被用来描述宇宙。他强调，宇宙中确实存在可以用零来描述的事物，例如五米长的iPad的数量。对于无限，他认为宇宙并不是无限的，空间不能无限分割，时间本身也可能不是无限的。他的工作主要集中在量子引力领域，旨在计算空间的最小单位，表明空间不能无限分割。Rovelli认为，尽管无限是一个有用的概念，但它并不精确地描述宇宙，而是一个用来表示“很多”的近似值。

⏳ 时间的方向：过去与未来

Rovelli探讨了时间的方向性问题，这是一个在物理学和神经科学中广泛讨论的话题。他认为，时间的方向性既不完全取决于我们的大脑，也不是时间本身的属性。他通过一个比喻说明了方向性是如何由环境的布局决定的，就像在山上北面是上坡，南面是下坡一样。对于宇宙，时间的方向性与宇宙的历史有关，我们通过熵的概念来捕捉过去和未来的不同。熵在宇宙的过去较低，在将来较高，这决定了过去和未来的方向性。Rovelli认为，我们对时间流逝的感觉、现在的固定性和未来的开放性是在我们的大脑中感觉到的，但时间方向性的根本差异是独立于我们的大脑的。

Mindmap

Keywords

💡白洞

白洞是广义相对论方程的一个解，它描述了宇宙中可能发生的一种现象，与黑洞类似，但是通过时间反转相关。在视频中，Carlo Rovelli提到，当你进入黑洞并被压缩后，你可能会发现自己处于一个白洞中，所有原本在黑洞内部的物质都会出现在白洞中。白洞只能向外抛出物质，不能吸收物质。这个概念是视频讨论的核心之一，因为它涉及到宇宙的基本结构和物理定律。

💡黑洞

黑洞是宇宙中的一种极端密集的天体，拥有强大的引力场，以至于连光也无法逃逸。在视频中，Rovelli解释了黑洞的内部结构，特别是关于黑洞奇点的概念，即所有进入黑洞的物质最终都会被压缩到一个点上，这个点不是空间中的一个位置，而是时间上的一个极限。黑洞是理解白洞概念的基础，因为白洞可以被视为黑洞时间反转后的结果。

💡时间反转

时间反转是将时间的方向颠倒，从而得到不同的物理现象或解的概念。在广义相对论中，白洞可以看作是黑洞的时间反转解。这意味着如果将黑洞的行为像电影一样倒放，就会得到白洞的行为。在视频中，Rovelli用时间反转来解释白洞和黑洞之间的关系，这是理解它们如何相互关联的关键。

💡奇点

在广义相对论中，奇点是指空间和时间的无限密集点，物理定律在这一点上失效。视频中提到，黑洞的奇点并不是位于中心，而是在所有进入黑洞的物质的未来。这意味着无论你在黑洞的哪个位置，最终都会被奇点压缩。奇点的概念对于理解黑洞和白洞的物理特性至关重要。

💡暗物质

暗物质是一种无法直接观测到的物质，它通过引力效应影响周围的环境，比如星系的旋转速度。在视频中，Rovelli提出了一个假设，即暗物质可能是由许多小的白洞组成的。这个想法是为了解释白洞在宇宙中可能的表现形式，并且提出了通过观察暗物质的引力效应来间接探测白洞的可能性。

💡量子引力

量子引力是试图将量子力学与广义相对论结合起来的理论，以更深入地理解宇宙的基本结构，包括空间和时间的本质。Rovelli的主要工作之一就是量子引力，他试图计算空间的最小单位，即空间不能无限分割的最小块。这个概念对于理解宇宙的微观结构和时间的方向性至关重要。

💡熵

熵是热力学中用来描述系统无序程度的物理量，也是衡量信息量的一个指标。在视频中，Rovelli提到熵的概念来解释时间的方向性。他指出，宇宙的熵在过去较低，而在将来较高，这种熵的变化方向性是区分过去和未来的关键，也是我们感知时间流逝的原因之一。

💡时间的方向性

时间的方向性是指时间只有一个前进的方向，即从过去到未来，而不是反过来。在视频中，Rovelli讨论了时间的方向性，他认为这既不是大脑的感知方式，也不是时间本身的属性，而是由于宇宙的特定排列方式，即过去的低熵状态和未来的高熵状态，决定了时间的流向。

💡零和无穷

在视频中，Rovelli讨论了零和无穷在描述宇宙时的作用。他指出，宇宙中确实存在可以用零来描述的事物，比如某种特定物体的数量可能是零。至于无穷，虽然在物理学中常用于描述空间的无限可分或是宇宙的无限大，但Rovelli认为实际上没有什么是真正的无限。他的工作集中在量子引力上，旨在计算空间的最小单位，从而证明空间不是无限可分的。

💡理论物理研究

理论物理研究是指通过数学模型和物理定律来探索和解释自然界现象的科学研究。在视频中，Rovelli提到了他的个人经历和感受，包括在进行理论物理研究时的情感、担忧和思考方式。他强调了理论研究的个人性质，以及在已知知识的边缘进行探索的挑战和乐趣。

💡宇宙的结构

宇宙的结构是指宇宙的组成、形状和演化方式。在视频中，Rovelli通过对黑洞、白洞、奇点和暗物质等概念的讨论，探讨了宇宙的结构。他提出，宇宙的结构不仅仅是由物质和能量组成的，还包括时间和空间的复杂关系，以及它们如何影响我们对宇宙的理解和描述。

Highlights

卡洛·罗韦利（Carlo Rovelli）是物理学家，他将回答观众的问题，并探讨宇宙和物理学的奥秘。

罗韦利思考如果只能向一个外星超级智能生物或超级计算机提问，他会选择询问对方的感受和对知识的体验。

白洞是爱因斯坦广义相对论方程的一个解，与黑洞类似，但通过时间反转相关。

黑洞内部和奇点的描述，奇点并非位于中心，而是存在于未来。

罗韦利认为，穿过黑洞的奇点后，物质会继续存在于白洞中。

白洞的存在是理论上可能的，但尚未在宇宙中得到证实。

暗物质可能是由许多小的白洞组成的，这是白洞存在的一个潜在证据。

直接探测白洞的可能性，尽管技术上具有挑战性，但并非不可能。

宇宙是否真的存在零和无穷大的概念，罗韦利认为这些都是描述宇宙的工具，而非宇宙本身的属性。

时间和时间的单向性不是由大脑感知决定的，而是由宇宙的历史和熵的变化决定的。

罗韦利的主要研究领域包括白洞、量子引力，他写了一本关于这些研究的书。

书中不仅讨论了白洞，还涉及了理论研究的过程，包括情感、恐惧和思考方式。

罗韦利强调，时间的方向性是由宇宙的特定排列方式决定的，而非时间本身或大脑的感知。

空间不能无限分割，存在最小的空间单元，这与罗韦利在量子引力中的研究相符。

罗韦利认为，尽管我们可以使用零和无穷大来描述宇宙，但宇宙本身并不是无限的。

时间的感知与大脑有关，但时间的方向性是宇宙历史的一种表现，与大脑无关。

罗韦利提出，宇宙的过去和未来的差异，以及时间的定向性，可以用熵的概念来解释。

罗韦利的书是个人的，不仅讨论了他的研究，还分享了理论研究中的情感体验。