分享

《回到未来》有可能!看看时间旅行的逆向行驶

 昵称49399455 2017-11-08

前往未来,如今已证实可行。但要回到过去,那就麻烦多了, 光是弄出个虫洞就够复杂了, 还要看看宇宙本身同不同意这种「逆向行驶」。

《时光机器》是韦尔斯(H. G. Wells)在1895年发表的第一部小说,数年后,主导物理学界已长达200年的牛顿世代告终。爱因斯坦在1905年发表狭义相对论,牛顿摆出来的苹果摊就这样给掀了。但对韦尔斯来说,他或许会因此窃喜,因为旅行到未来,这件在牛顿定律中不容许的事,顿时成了可能。在牛顿的宇宙中,时间的流逝是恒定的,不管何时、不论何处,它既快不上去、也慢不下来。但对爱因斯坦来说,时间是相对的。

时间旅行不仅可能,而且已经发生了,只是和韦尔斯原先设想的有些许不同。根据美国普林斯顿大学天文物理学家戈特(J. Richard Gott)的说法,到目前为止,时间旅行的纪录保持人是克里卡洛夫(Sergei K. Krikalev)。这位俄国航天员的漫长事业始于1985年,他这辈子待在太空的时间超过803天。(译注:2015年另一位俄国航天员帕达喀尔(Gennady Padalka)以879天打破此纪录。)根据爱因斯坦的理论,运动中物体所经历的时间会比静止时慢,所以当克里卡洛夫随着和平号(Mir)太空站,在轨道上以时速27000公里呼啸而过,对他而言,时间流逝的速率与待在地球上有所不同。他在整个轨道上老化的程度比在地球上的伙伴少了1/48秒。从另一观点来说,他已经往未来进行了1/48秒的时间旅行。

当距离更长、速度更快时,时间旅行的效应就更明显。如果克里卡洛夫往返距离地球520光年远的猎户座参宿四,并在2015年飞离地球,而且速度是光速的99.995%,那么当他回到地球时只会老10岁。可怜的是他认识的人早已不在世上,因为地球已过了1000年,这时是3015年!戈特说:「要旅行到未来,任何人都知道这绝对办得到,问题只在于财力和工程能否配合。」

要往前跳一奈秒或达数个世纪,相对简单,虽然在实作上挑战性颇高;可是要回到过去,就难上加难了。爱因斯坦原先提出的狭义相对论禁止这件事发生。经过10年磨剑,爱因斯坦揭橥了广义相对论,这件事似乎办得到了。但想真的回到过去,可是个恼人的问题,因为广义相对论的方程式有许多的解,不同的解会赋予宇宙不同的性质,只有特别的解才有办法创造出正确的条件,从而允许我们回到过去。

至于这类的解能否用来描述我们自己的宇宙?这更是个开放性的问题,因而衍生出更多深远的研究。例如,究竟要扭曲多少基础物理学才能容许我们回到过去?即使爱因斯坦的方程式未将之排除,宇宙本身也许另有法门去防止这类旅程的发生。物理学家对此持续臆测,但不是因为他们认定时间旅行在实务上可行,而是在思考这些可能性时,可以带出一些我们宇宙的惊人本质,其中或许还包括了宇宙如何变成现在这个模样。

爱因斯坦的狭义相对论让时间流逝可以变慢,这一定让韦尔斯得意不已,因为他早在19世纪就深信我们的宇宙是由三维空间与一维时间交织成一整体的四维时空。爱因斯坦透过探索两个基本概念提出革命性结果:首先,虽然所有运动都是相对的,但物理定律在宇宙中任何地方、从任何人来看都一样;其次,从任何面向来看,光速一定不变,因为既然任何人都看到相同的物理定律在运作,他们测量光速时必然会获致相同结果。

为了使光速维持恒常性、而且是速度上限,爱因斯坦只得抛弃大家习以为常的两个概念:长度的测量值以及时间流逝的快慢不再是一致。他证明出,运动中的时钟以高速通过静止的某人时,该时钟滴答的速率会比此人身边静止的时钟慢;呼啸而过的一把尺,长度也会变短。而有另一个人,带着时钟和尺以相同高速运动,对此人来说,时间的流逝和尺的长度却毫无异样。

在日常速度下,狭义相对论这种时空扭曲的效应可以忽略,一旦任何东西的速度快到与光速不相上下,此效应可是确确实实存在。例如,众多实验都已验证,一种称为缈子(muon)的不稳定粒子,衰变率在速度接近光速时可以减缓一个数量级。这些高速的缈子就像小小的时间旅行者,它们是次原子尺度中的克里卡洛夫,一起往未来跳了数微秒。

 

哥德尔的旋转宇宙

这些高速运动的时钟、尺以及缈子都往未来飞跃。那么可以把它们送往过去吗?哥德尔(Kurt Godel)率先利用广义相对论描述一个可以让人回到过去的宇宙,他的「不完备定理」把数学的可证性与不可证性划出一道界线。他是20世纪数学界的巨人,还是怪人中的怪人,他有诸多搞怪行径,例如喝婴儿奶粉和吃泻药。 

哥德尔把他的模型宇宙献给爱因斯坦,做为爱因斯坦的70岁生日贺礼。哥德尔所描述的宇宙有两个独特性质:带有转动,可以提供离心力,避免宇宙中所有物质因为重力而全部挤压在一起,这也满足爱因斯坦对于静态宇宙模型的要求;可是,它还允许我们回到过去,这就让爱因斯坦相当不安。在哥德尔的宇宙中,太空旅行者出发之后,有机会回到他们过去的某一刻,这有点像是旅行者沿着巨大的圆柱表面走了完整一圈,物理学家把这种时空中的轨迹称为「封闭类时曲线」。

封闭类时曲线在时空中会绕一圈接回原点。在哥德尔的旋转宇宙中,这样的一条曲线会绕过整个宇宙一圈,这很像地球表面上的纬度线。(译注:此处若用「经度线」比喻,会比原文用纬度线适切。)物理学家已找到几类的封闭类时曲线,至少在理论上是找到了。不过,沿着这类曲线旅行会让你怅然若失,因为它平凡无奇:往太空舱的窗外望,你看到的是同样的星星和行星,反正就是外层空间那副模样。更重要的是,你自己测到的时间仍是滴答滴答往前正常地流逝,虽然你正朝着时空中过去所对应的一个位置,旅行到过去,但时钟上的指针不会因此往反方向转。

 

英国独立理论物理学家巴伯(Julian Barbour)说:「爱因斯坦早在1914年就注意到封闭类时曲线的可能性。」爱因斯坦曾说:「我的直觉强烈反对这种事。」这种曲线的存在会衍生出各种因果问题,例如,既然过去已经发生了,如何能改变它?还有那老掉牙的祖父佯谬:如果祖父在遇见祖母之前就被时间旅行者给杀了,那么时间旅行者自己会发生什么事?失心疯的他还会被生下来吗?

因果律的拥护者有福了,因为天文学家找不到宇宙是在转动中的证据。哥德尔本人显然曾遍寻星图,看能否从中找到支持其理论的蛛丝马迹。哥德尔的宇宙或许不是一个很真实的宇宙模型,但至少他证明了封闭类时曲线和广义相对论的方程式是完全兼容的,「回到过去」这件事无法经由物理定律排除。

  

尽管可能,却很恼人 

过去数十年,宇宙学家已经利用爱因斯坦的方程式找到各种封闭类时曲线,哥德尔利用的是整个宇宙,近代热中此道的人则直接在宇宙的一小部份区域扭曲时空。

在广义相对论中,行星、恒星、星系以及其他有质量的物体都会扭曲时空;扭曲的时空则会反过来引领这些有质量的物体去运动。正如已故物理学家惠勒(John Wheeler)所说:「时空告诉物质要怎么运动,物质告诉时空要怎么扭曲。」在极端情况,时空扭曲得够厉害,可能就会产生一条可以把当下连回到过去的路径。

物理学家已经提出创造此类路径的数种玄妙机制。宇宙弦是一种比原子还细的无限长结构,可能在宇宙早期创生;在1991年的一篇论文中,戈特证明两条宇宙弦相交错时就能产生封闭类时曲线。虫洞是另一类封闭类时曲线,像隧道一样连接时空中两个区域。加州理工学院的物理学家索恩(Kip S. Thorne)从1983年开始探讨利用虫洞回到过去,同事卡洛尔(Sean M. Carroll)说:「在广义相对论中,若连接空间中两个区域,其实也就连接了不同时间的区域。」

虫洞的入口呈球形,这个三维空间中的入口让我们得以进入时空中的四维隧道。卡洛尔表示,一如其他封闭类时曲线,透过虫洞旅行「就像其他旅行一样,你不会就此消失,然后在时间的另一时刻被重组出来。科幻小说中才会出现的这类利豪发竞技平台时间旅行情节,在任何一个稍具可信度的理论中都不会发生。对所有旅行者而言,不论他们做什么事,时间往前流逝的速率是恒定的,每经过一秒就是一秒。只是自己当下所谓的往前,和宇宙其他地方整体来比较,步调就是不一致。」

虽然物理学家可以写下方程式来描述虫洞和其他封闭类时曲线,但这些模型都有严重问题。卡洛尔说:「要弄出个虫洞,首先必须有负能量。」负能量指的是在空间中的一个体积内,能量经由涨落,自发变成负值。没有负能量的帮助,虫洞的球状入口和四维隧道会迅速塌缩,不过,卡洛尔表示,要靠负能量来使虫洞保持开启,「就算是可能,也比登天还难。负能量在物理学中似乎是个讨人厌的家伙。」

就算已经有负能量来使虫洞保持开启,正当你打算把虫洞当做时光机时,卡洛尔说:「粒子会穿过虫洞,然后又绕回来,如此来回无限多次,产生无限多的能量。」由于能量会使时空变形,这些全部会塌缩成时空中一个无限致密的点,称为黑洞。卡洛尔说:「我们无法百分之百确定这种事情一定会发生。但把它视为宇宙千方百计想阻止我们创造出时光机,所以硬是把它变成黑洞,这种可能性似乎是合理的。」黑洞是广义相对论的天然产物,虫洞和封闭类时曲线则不然,一般来说,它们完全是用来测试理论极限的人工产物。卡洛尔说:「黑洞很难避免,封闭类时曲线则很难产生。」

尽管虫洞在物理学上非常不可能发生,但广义相对论并没有排除它的存在,这就很有意思了。爱因斯坦那么漂亮的一个理论,竟然允许这种看起来简直是无望的东西存在,无怪乎卡洛尔会说:「最奇怪的是,只差一点点,我们就可以排除时间旅行的可能性,但我们就是办不到,相当令人懊恼。」不过,慎思这个恼人的可能性,或许能更加了解我们究竟生活在一个什么样的宇宙。更何况有一种可能性是,如果宇宙并不允许回到过去,这个宇宙恐怕连存在的机会都没有。

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。
    转藏 全屏 打印 分享 献花(0

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多
    喜欢该文的人也喜欢 更多