霍金帶你尋找第四維空間 探索如何穿越時空

阿康

作者/譯者：騰訊科技


你好，我是史蒂芬霍金，一個物理學家，宇宙學家，也算是個夢想家。雖然我行動不便，而且需要借助電腦說話，但我的思想是自由的，自由地遨遊宇宙並探究那些終極謎題，比如：時間旅行可能嗎?我們能否開啟通往過去的大門開闢前往未來的通道?最終我們能否利用大自然的法則，執掌時間的進程呢?
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如果我有臺時間機器，我可以拜訪正當妙齡的瑪莉蓮夢露，或是在伽利略用望遠鏡觀測宇宙的時候去串個門，可能我還會前往宇宙的末日看看我們的整個宇宙將會如何終結，要判斷這種想法是否可行，我們就要從物理學家的角度出發，把時間看成第四維。

$ E/ J" ^- w' o. D/ Q這並沒有聽上去那麼深奧。所有的物體存在都是三維的，包括輪椅上的我，任何物體都有特定的長度、寬度和高度，但除此以外還有另外一種“度”，這個度就是時間。

& s6 ^; X/ B$ o, z' g# m- `4 {正常人一般可以活80年，位於英國著名石頭陣的這堆石頭卻能存在長達數千年之久，而太陽系則能存在數十億年光景……

任何東西在時間上都有個“度”，正如在空間上一樣。而時間旅行就意味著要穿過第四維時空。
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要理解這個概念並不難，我們就拿日常的開車來打比方吧。
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( @: ]2 _8 I# G" j- O飆快車總是能帶來更多樂趣，筆直前進意味著你穿過了一個維度，轉左或轉右時就穿過第二個維度，在彎曲的山路上爬上爬下帶來高度的變化就是在第三個維度上穿行。但我們怎樣才能穿過時間呢？怎樣才能找到穿越第四個維度的方法？
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3 V/ y' Z1 ?# L* p, D蟲洞型時間機器

讓我們換一個話題來談談科學幻想。

關於時間旅行的科幻電影通常會說到一個能耗極高的巨型機器，這台機器能打開一個穿越第四維時空的通道，也就是時間隧道。一個時間旅行者、勇敢或者說有些莽撞的人做好了應對未知情況的準備，他踏進了這個時間隧道前往一個未知的時代……這個想法可能有點牽強，現實情況也可能與此大相徑庭，但這個概念本身並不瘋狂。

物理學家們也一直在思考時間隧道的問題，但切入的角度完全不同，我們想知道的是通往過去或是未來的通道是否能在自然法則下存在。思考的結果是，我們認為有這個可能，而且，我們甚至給它起了個名字——蟲洞。
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事實上，在我們身邊到處都是蟲洞，只不過它們太小，我們看不到而已，蟲洞非常之小，它們存在於時間和空間的每一個角落，你可能覺得這難以理解，但耐心往下看你就會明白了。
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$ g( d5 o7 q- y# w# D任何東西都不是徹底平滑沒有空隙的，如果你能近距離看一樣東西，你會發現上面有小洞和裂痕，這是一個基本的物理法則，就連時間也是如此。

# X& [# B  X3 ?, g) G比如桌球臺，臺面看起來又平坦又光滑，湊近來看就完全不一樣了，上面滿是縫隙和小孔，就連檯球這樣看似光滑的東西，放大後看也有細小的裂痕、皺褶和瑕疵。要在三維世界中理解這一點很容易，但請相信我，在四維世界中它同樣成立，在時間之中也存在著細小的裂痕，皺褶和瑕疵。
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2 j1 a2 u0 m  F- H8 l1 n0 I讓我們進入最小的量度範圍，甚至比分子還小，比原子還小，這時我們就可以看到所謂的量子泡沫，蟲洞就存在於這個地方。這些細小的通道也可以說是“捷徑”能穿越時間和空間，它們在整個量子世界中不斷地形成、消失、再形成連接著兩個不同的空間點和不同的時間點。
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7 r% d0 y$ G% ?1 P8 s很不幸，這些真實存在的時空隧道只有10的負33次方釐米大小，人類根本不可能借此通行，不過這倒是引出了蟲洞型時間機器的概念。有些科學家認為，我們可以截獲這樣一個蟲洞然後將它擴大數億億億倍，足以讓一個人、甚至是一艘太空船從中通過，只要有足夠的能源和超前的科技，或許還可以在宇宙中製造出巨大的蟲洞。

7 |7 d: e. V5 O3 N( `我不是說一定能實現，但如果真的可行，那將是一項非常了不起的創舉，它的一端在距離地球不遠的地方，另一端則位於一顆離我們無比遙遠的行星附近。
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理論上說，蟲洞還可以有更多的用途。如果蟲洞的兩個端口，設置的地點相同，但時間不同，那飛船穿越蟲洞之後將仍然停留在地球附近，但卻回到了遙遠的過去，或許恐龍還可以目睹這艘飛船的從天而降。
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" N/ g7 O6 W( D! q5 \時間旅行實驗
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我知道四維時空的這個概念確實很難理解，而蟲洞的複雜概念那就更令人摸不著頭腦了。不過先別急，我想出了一個簡單的實驗來證明在現在甚至是在未來，人類通過蟲洞進行時間旅行是否確有可能。
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我喜歡簡單的實驗，也喜歡香檳酒，所以我把我最喜歡的兩樣東西放在一起，看看我們到底能否從未來穿越到過去。
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我搞了一個派對，歡迎來自未來的時間旅行者。但不同之處在於，派對開始以前我沒把這件事告訴任何人，在這個派對的請柬上，說明瞭確切的時間和空間坐標。

. ?6 J3 b$ v# M# b2 m' V我複印了多份派對的請柬，希望在數千年後有人可以看到這份請柬，然後用蟲洞型的時間機器來參加我的派對。
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我邀請的客人們可能隨時都會光臨，我期待有人會開門進來，五、四、三、二、一，真遺憾，到了派對開始的時間，沒有任何人前來光臨派對，我還盼著未來的環球小姐會開門翩翩而入呢。

為什麼這個實驗會失敗呢?我想其中一個原因就是當你穿越到過去的時候就會產生一個眾所週知的問題，謬論問題。
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$ f( o5 I& W7 B8 v謬論十分有趣，有一個非常出名的悖論就是祖父謬論(祖父謬論：回到過去，在祖父生你父母之前把他殺了，因此你不能出生，跟不能回到過去殺你的祖父)，
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6 G3 {( i8 @  Z) [0 v. n  Q我有一個更簡單的試驗新版本，我稱之為“科學狂人謬論”。我不喜歡在電影中科學家總是被刻畫成瘋子，但在這個試驗版本中卻必須這麼做：這個傢夥決定製造一個謬論，就算付出生命也在所不惜。
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想像一下他用某種手段造出一個蟲洞，這個時間隧道能返回一分鐘前的世界，聽起來沒什麼大不了，但實際上往回一分鐘就足以捅出大簍子了。通過蟲洞科學家可以看見一分鐘前的自己，如果這位科學家通過這個蟲洞開槍打死一分鐘前的自己呢?

現在他死了，在他組裝好手槍之前就死了，那麼到底是誰開的槍呢？這就是一個謬論，無論如何都解釋不通，像這樣的情況總是讓宇宙學家們睡不好覺。
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這種時間機器會破壞主宰整個宇宙的最基本法則，那就是起因一定發生在結果之前，絕不能本末倒置，我相信事物不可能否定自己的存在前提，如果可以的話，那麼就沒有任何人可以阻止宇宙陷重回混沌。所以我認為，總是會有一股力量阻止謬論的發生，一定存在著某種原因使得我們的科學家絕不可能開槍把自己打死。
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在這個例子中，我必須承認蟲洞本身就是問題所在，歸根結底我認為這種類型的蟲洞是不可能存在的，原因就在於“反饋”。
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, ?8 c7 A$ z! h7 q! @如果你聽過搖滾音樂會，你應該會記得這種刺耳的聲音，這就是“反饋”，其成因非常簡單：聲音進入麥克風，通過電線的傳導，被擴音器放大，聲音從音箱裏放出來，但又再一次通過麥克風傳導到音響，一次又一次經過這樣的迴圈，每一次都讓聲音變得更大。如果沒人阻止，“反饋”就會讓音響系統徹底崩潰，我認為同樣的事情也會發生在蟲洞中，只是輻射取代了聲音。

$ c1 J0 y2 ]* h& |當蟲洞打開的瞬間，自然界的輻射會進入其中並形成迴圈“輻射反饋”會變得無比強烈，導致蟲洞瓦解，所以雖然微型的蟲洞確實存在，也許某天我們真的可以將其放大，但它無法維持足夠長的時間作為時間機器使用，那就是沒人來參加派對的真正原因。
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事實上我認為，不管是通過蟲洞還是通過其他方法，我們基本上都是不可能回到過去的，不然的話就會產生謬論。
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9 j5 e; B* c* q$ T: J6 a超大品質黑洞就是時間機器
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; L; M0 N6 J0 S& S) B2 [  C很可惜，現在看來穿越時間回到過去是不可能的了，那些夢想狩獵恐龍的人會很失望，而史學家倒能松一口氣。雖然如此，但並不是說任何時間旅行都不可能，我還是相信有時間旅行的，通往未來的時間旅行。
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時間就像一條河流，它無情地把我們每個人向下游推進，但時間在另一方面也很像河流，在不同的地方，它的流速也會不同，而這就是前往未來的關鍵所在。
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這個概念是100多年前由愛因斯坦提出來的，他意識到在某些地方時間會慢下來，而在另一些地方時間則會加快，他的想法完全正確，證據就在我們頭頂上，在太空之中，這就是全球定位系統，簡稱GPS。
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這個網路由繞地球軌道運行的31顆人造衛星組成，這些衛星使衛星導航成為可能，但它們同時也證明了時間在那裏過得比地球表面上要快。在每個這種衛星上都有個非常精密的時鐘，但無論有多準，它們每天全都會走快三十億分之一秒，系統必須糾正這個誤差，否則這個誤差會影響整個系統，導致地面上的所有全球定位設備每天都會產生9.6公里的偏差。
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2 S# \. ?, q! L1 w( J' C% I5 Q問題並不在於時鐘，走得快是因為那裏的時間流逝得比地面上要快，產生這種奇異現象的原因在於地球的品質，愛因斯坦發現物質會影響到時間，物體越重，對時間的影響就越大，這個神奇的現象為通向未來的時間旅行開啟了大門。

% E8 L$ l! h0 {) V: ~我知道這個概念理解起來並不容易，現在我們來看個簡單的例子。
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: A- \; [/ l- `- X4 a8 d吉薩的大金字塔，它有4000多萬噸重，跟所有的重物一樣，它其實也在減緩著時間的流逝，雖然效果很不明顯，還不及地球的幾十億分之一，但如果把這種影響放大後再看你就會看到它的運作機理。

: y# b( K8 n& x' K接近金字塔的地方時間的流動相對其他地方來說稍微慢一些，如果金字塔附近的人看外面的世界會怎麼樣呢？他們肯定會看到相反的情況，因為他們自身變慢了，而遠處的時間則相對變快了，這是金字塔的巨大品質帶來的影響，這種畸變就為通往未來提供了可能性，要想實現時間旅行的話，我們需要一個品質比金字塔大得多的物體，而我知道有這麼個東西。
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. T  u) b# ^+ V" y2 C在銀河系的中心，距離我們26000光年的地方，在大量的氣團和群星之間隱藏著全銀河系最重的物體，那是一個“超大品質黑洞”，其品質相當於400萬個太陽，被它自身的引力壓縮成了一個小點，離黑洞越近，引力也就越強，如果離得太近的話，就連光都無法逃逸。因此它就成了一個直徑2400萬公里的黑暗球體，這樣巨大的黑洞，會對時間產生意想不到的效果，它對時間的延滯作用，遠遠超過銀河系中的任何物體，它就是一個自然生成的時間機器。

' {; J: J0 c, x2 B6 b0 \$ V我總是想像著有一天我們的飛船可以接近這個神奇的地方，對黑洞加以利用，當然我們首先要避免自己也被吸進去。我認為最好的方法就是飛到它邊緣外側不遠的地方，以免被吞沒，他們必須精確地設定好航向和速度，否則就再也回不來了，只要處理得當，飛船將會環繞黑洞。沿著直徑長達4800萬公里的圓形軌道運行。
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. o. L* l, w, v5 ]' E/ _4 x; @: N8 k飛船在這裡比較安全，它的速度可以保證讓自己不會離黑洞越來越近，如果航空航太局從地球上或者其他遠離黑洞的地方指揮這個任務，他們會看到飛船沿軌道運行一週要用16分鐘，但對於飛船上的勇敢者來說因為距離黑洞很近時間會因此變慢，這種變慢的效果將會比金字塔或是地球附近顯著得多。

* I$ q1 p; {: m/ L* t5 w* O飛船上的時間流速只有其他地方的一半，本來16分鐘繞軌道一週，但在他們看來只用了八分鐘，飛船就這樣不斷飛行，而船員們所花的時間相比遠離黑洞的地方，只有一半而已，這時飛船和它的船員就在穿越時間了。

+ r5 }+ d/ S9 S, m4 |4 ]試想他們繞著黑洞運行了五年，這就相當於其他地方的十年，他們回到地球時，那裏的所有人都會比他們年長五歲，也就是說飛船上的人將會回到未來的地球，他們的這次旅行不只是穿越了空間，還穿越了時間。
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% V1 z9 B& f" X# s7 {% r所以“超大品質黑洞”本身就是時間機器。
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  S1 F$ s5 Z, r最後一個建造時間機器的方法
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& p5 z- j1 i% b& t  {" Y; T. Y但事實上可操作性並不強，它和蟲洞相比更有優勢，因為它不會產生時間謬論，也不會在“輻射反饋”中自我毀滅，但它十分地危險，它距離我們太遠，而且無法實現大跨度的時間旅行。幸運的是還有其他的方法可以穿越時間，而這也是我們最後一個、也是最可行的建造時間機器的方法。

穿越第四個維度絕對不是什麼容易的事，但事實上卻有一個極其簡單的方法可以實現，你只要以極高的速度運動就可以了。
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宇宙擁有自己的極限速度，每秒29.9萬公里，也就是眾所週知的光速，任何東西都不可能超越這個速度。我知道這聽起來很奇怪，但相信我，這是科學領域中最確定的法則之一，信不信由你，只要接近光速運動就可以前往未來。

8 F, y8 l+ h# k8 i! @, g要解釋其中的原因，先讓我們構想一個科幻小說裏的交通運輸系統，想像一條圍繞地球修建的軌道上面跑著一列超高速列車，我們讓這列假想的列車盡可能去接近光速，看看這如何能讓它成為一台時間機器。

車上的旅客都有一張通往未來的單程車票，列車開始加速，越開越快，越開越快，不久後它就在繞著地球一圈又一圈地運行。要接近光速就意味著要以極快的速度繞地球運行。
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  Y9 \6 V' j/ d! i. _7 T* h每秒鐘要跑七圈，但無論列車動力如何強勁也絕不可能達到光的速度，因為這違反物理法則，那我們就設法接近光速，盡可能靠近極限速度。
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! R" t- r  M7 e. o, W, E' k' ^2 ~這時一種奇特的現象開始發生，相比地球上的其他地方，列車上的時間流速相對較慢，就像在黑洞附近一樣，效果甚至更明顯。

列車上所有物體的運動都會變慢。其中的道理並不難理解，試想車上有個小孩朝車頭跑過去，她的奔跑速度再加上列車自身的速度，是否會意外地突破極限速度呢?答案是不會。

1 d; e' q* |* W+ g! Q2 F  p+ N自然法則讓車上的時間變慢，從而避免這種情況的發生，所以她無論怎樣奔跑也無法突破極限速度。時間總是會適合地放緩不讓你打破速度上限，利用這個特性我們可以通往遙遠的未來。
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* n: C2 c6 s- E4 A3 _假設列車在2050年1月1日出發，一圈又一圈環繞地球走了100年，在2150年的新年時分它靠站停車，而旅客們只經歷了一個星期的時間，因為車內的時間流速非常緩慢，當他們走下列車時會發現整個世界與自己出發時已經完全不一樣了。他們用一週的時間就來到了100年後的世界。
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真正的時間旅行者
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, F6 q  q: h8 _' u, \不過，建造一列如此神速的列車是不太可能的，但我們還是可以建造一個跟這種列車相似的東西，那就是位於瑞士日內瓦歐洲核子研究中心的全球最大的粒子加速器。
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在地下深處，有一條25.6公里的環形管道，上萬億個微粒組成的粒子流在這裡運行，接通電源之後它們就能在不到一秒的時間內從零加速到時速96000公里，加大能量的話，粒子流會越來越快，最終粒子流一秒就能繞管道11000圈，幾乎達到了光的速度。
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  |; t7 ~: x+ M3 M) S! _但就跟列車一樣，它們永遠不會達到那個極限速度，頂多只能達到99.99%的光速，在這樣的情況下粒子流已經可以開始時間旅行了，我們能確定這一點是因為有一種壽命極短的粒子叫π介子，正常情況下它們在250億分之一秒內就會瓦解，但當它們達到接近光速時其壽命就延長了30倍，這些粒子是真正的時間旅行者。
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就是這麼簡單，如果我們想要前往未來世界，只要加快速度，快到極致。我覺得要實現這一點的唯一方法就是前往太空，人類歷史上速度最快的載人工具是阿波羅10號，它最快可達每小時四萬公里，但要時間旅行我們還要提速2000倍以上才行。

- ^% Y! [/ k3 V+ o) K- k3 `要做到這一點，我們需要一艘比它大得多的飛船，一台真正的巨型機器。
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6 F% N6 }. E& _7 B( q1 c$ h5 ^飛船要大到足以容納巨量的燃料，足以讓它逐步加速到接近光速。

+ R% d, Z5 V; Q4 h要讓飛船盡可能接近極限速度即便是開足馬力也要用上六年的時間，最初的加速會比較緩慢，因為飛船實在太大太重，但此後它會慢慢提速，短時間內就能飛出很遠的距離。一週後它就會飛抵太陽系的帶外行星，比如巨大的氣態行星海王星，兩年之後，它會加速到光速的一半，而且已經遠離我們的太陽系了，再過兩年後它就能夠達到光速的90%，並且經過離我們最近的恒星系統人馬座阿爾法星系，大約離地球有48萬億公里，發射的四年之後飛船就開始了時間旅行，飛船上的一個小時就等於地球上的兩個小時，跟環繞巨型黑洞飛行的那艘飛船非常相似，但好戲還在後頭，再經過兩年的全力加速，飛船將達到它的最高速度，也就是99%的光速，在這個速度下，飛船上的一天時間就等於地球上的一整年，我們的飛船將真正地飛向未來……

# x$ m! ?( y! y% ^6 S  O時間變慢還有另外一個好處，那就是在理論上我們可以在人的壽命範圍內進行超長距離的旅行，飛往銀河系盡頭只需要80年的時間。但此次旅行最重要的地方在於它揭示了我們的宇宙是多麼地奇特，在宇宙的不同地方時間流逝的速度都不盡相同。

3 g7 p! N9 W8 x% t3 M' @7 \我們所知的最極端的物體巨型黑洞能夠讓時間和空間發生扭曲，而在這個宇宙中微型的蟲洞又無處不在，在這裡，最終只要我們能開發出適用的技術，我們就可以利用我們對物理法則的理解成為這第四維時空中的時間旅者。
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北京電視臺BTV青少頻道《探索》欄目2010年 9月27日首播《史蒂芬·霍金宇宙大探索：時間旅行》

謝藥師

老三前天才問我
$ V3 V8 P; ?0 M% }' d  j" v有關蟲洞的問題
剛好
可以偷學一下
' X5 \4 \: _8 {% n6 f" w( B呵呵

歐陽

受教ㄌ.想法多ㄌ

phantom

Time & Space一直都是一個很有趣的思索對象。
愛因斯坦與霍金兩位都是頂尖的科學家，透過他門的研究成果，讓我們可以對Time & Space多一點接觸與了解。即便只是一點點，都足以讓人對宇宙充滿驚訝與讚嘆。
+ h: g+ F- m- ], Q0 H6 }2 W5 A從某些方面看，我們人類同時處於兩種時間狀態。一種是永恆的時間，一種是暫態的時間。在永恆的時間中，我們是不朽的。在暫態的時間中，我們人會生老病死。也就是說，我們是不朽的，而同時我們也是會老死的。
對我們來說，生老病死很容易了解，但永恆卻難以捉摸。
6 u' d- z" g+ r" RSaint Augustine在｢懺悔錄｣中有一個章節探討時間，他說：｢過去已過去，它不存在。未來尚未到來，所以也不存在。存在的只有現在，而現在不能有過程，所以現在就是永恆。｣這是從哲學的觀點對於時間的看法，也讓我們逼近到永恆的概念。
! X( }8 J: t3 e( \. z, a; R從某些方面看，我們人類又似乎是永遠活在過去的。我們看到的太陽是8分多鐘前的太陽。我們看到的有些星球，事實上卻有可能是多年前發射的光。任何物體，只要有距離，我們都可以換算出它所發出的光到我們眼球的時間。所以，我們所看到所有東西都是過去的東西。(也就是說，我們人類無法看到｢現在｣的東西。)
: p5 p' i, E8 L- l0 B眼睛看到東西(事物)後，我們的感官才會運作。等於是說，我們的感官都是在為過去的事物運作(神經觸覺亦然)。這麼說來，或許可以說，我們人類都是活在過去。
% S5 v9 `8 |- Q( ?% L" D(不管如何，我們雖然會老死，但也是不朽的。)
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yljimmy

原文的「品質」在台灣稱為「質量」會比較容易看懂
: r4 T3 c4 C8 [; z, V- M( F
0 E( ?0 L, y9 K; o* \" T/ K" k推薦兩本延伸閱讀的書

1. 霍金 (Kitty Ferguson 著, 中譯本 牛頓出版公司)
9 p! {% a% L4 i8 [& n2. 時間簡史 (Stephen W. Hawking 著, 中譯本 藝文印書館)

caroler0123