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時間旅行的實現方式
時間旅行的實現方式
蝌蚪五線譜 彌塵     阅读简体中文版

我們經常在科幻作品中看到時間旅行這個詞。但是要進行幾年的短途時間之旅并不需要時間機器或者蟲洞——我們一直在進行時間旅行。時間最根本的性質是變化率,而我們一直都在變化。我們在變老,地球圍繞太陽運行,宇宙天體彼此越來越遠。

我們用秒、分鐘、小時和年來衡量時間,但是這并不意味著時間流逝的速度是不變的。就像水流會因為河道的寬窄而時急時緩一樣,在不同的地方,時間流逝的速度也是不一樣的。換句話說,時間是相對的。

時間是有延展性的

但是,是什么讓時間沿著從搖籃到墳墓這樣的單程路流動呢?這都要歸結為時間與空間之間的關系。人類生活在長、寬、高構成的三維空間里,而時間則構成了最重要的第四維。時間不能脫離空間而存在,空間的存在也離不開時間,二者共同構成了時空連續體。在宇宙中發生的任何事件都涉及到時間和空間兩個方面。

在本文中,我們將討論在現實生活中進行時間旅行的方法,以及一些不那么現實的、在第四維中跳躍的方法。

通向未來的時空旅行

現實世界的旅行

如果你想比周圍的人更快地度過幾年,你就需要利用時間與空間的關系。全球定位衛星每天都在這么做,它們每天都比地球上的物體多十億分之三秒。在衛星運行軌道上的時間過得更快,因為衛星離地球比較遠。而在地球的表面,地球的質量會使時間變慢。

我們把這種效應叫做引力時間膨脹。根據愛因斯坦的廣義相對論,引力在時空坐標系中是彎曲的。天文學家在研究光經過質量極大的天體時,會觀測到這種現象。比如太陽,就會因為引力透鏡效應,而使直線光束變得彎曲。

這和時間有什么關系呢?記住:宇宙中發生的任何事件都涉及到時間和空間兩個方面。引力不僅會拉動空間,也會拉動時間。

你可能注意不到時間流動過程中的微小變化,但是質量足夠大的物體會造成比較大的影響——比如說,銀河系中心巨大的人馬座A黑洞。在這里,相當于400萬個太陽的質量存在于一個單一的、密度無限大的奇點上。圍繞這個黑洞一段時間(不掉進去),你經歷的時間將只有地球上的一半。換句話說,你進行一次為期五年的旅行,回來后會發現地球上已經過了十年。

時間過得快慢,與你的速度也有重大關系。你的速度越接近光速,時間過得越慢。例如,在一列飛速行駛的火車上,鐘表的指針移動得就比在站臺上的鐘表慢。人類旅行者感覺不懂這種差異,但是在旅途結束時,隨著火車快速移動過的鐘會慢十億分之幾秒。如果這列火車的速度能夠達到光速的99.999%,只要坐火車旅行一年,站臺上的時間就已經過了223年。

實際上,這種假設的旅行會讓人進入未來。但是怎么回到過去呢?速度最快的星際飛船能夠讓時鐘倒轉嗎?

通往過去的時空旅行

我們已經說過了,穿越到未來的時間旅行時刻都在發生。科學家已經在實驗中證明了這一點,這也是愛因斯坦的相對論的基本觀點。你可以穿越到未來,只不過是速度對快的問題。但是怎么回到過去呢?看看夜晚的天空也許可以找到答案。

銀河系大約有10萬光年寬,所以銀河系最邊緣的恒星的光可能要經過幾萬年的時間才能到達地球。遙望星空,你就是在看著時間倒流。天文學家在衡量宇宙背景微波射線時,他們關注的是100億年以前的原始宇宙。但是,我們還能更進一步嗎?

星空的景象其實呈現的是過去的時間

愛因斯坦的相對論并沒有說我們不能回到過去,但是按一個按鈕就能回到過去這種事,是違反因果法則的。宇宙中發生了一件事情,就會導致另一件事情發生,這種因果關系是永無止境的,而且是單向的。因總是先于果的。你可以想象一下不同的現實,比如,被槍擊的人在開槍之前就因為槍傷而死去,就會覺得將因果反過來是不可能的。因此,許多科學家都認為回到過去的時間旅行是不可能的。

有些科學家提出,可以用比光速還快的速度回到過去。畢竟,如果隨著物體的速度接近光速,時間會變慢,那么當物體的速度超過光速時,時間是不是就會倒流了呢?當然,隨著物體的速度接近光速,它的相對質量會增加,直到在光速時達到無限大。而要使質量無限大的物體加速,是不可能的。

但是,如果穿越到過去或未來的時間旅行不靠人為的太空推進技術,而是依靠已經存在的宇宙現象呢?比如黑洞。

黑洞和克爾環

圍繞一個黑洞運行足夠長時間,引力時間膨脹效應就會把你帶到未來。但是如果你飛到黑洞的核心去會怎么樣呢?大多數科學家都人為,黑洞可能會把你壓碎,但是只有一種黑洞不會,那就是克爾黑洞,或者叫克爾環。

黑洞的另外一側是什么?

1963年,新西蘭數學家Roy Kerr提出了首個關于旋轉黑洞的現實理論。這個概念立足于中子星,中子星是一種龐大的已坍塌恒星,其體積只有曼哈頓島那么大,但是質量相當于整個太陽。克爾假設,如果瀕死的恒星坍塌成一個中子星構成的旋轉環,這些恒星的離心力將阻止它們滑向奇點。由于這個黑洞沒有奇點,克爾認為,進入它是安全的,不用害怕被巨大的引力拉向黑洞的中心。

科學家推測,如果真的存在克爾黑洞,我們就可以穿過它,從一個白洞退出來。白洞不會把每個物體都拉進自己的引力場,而是推動每個物體遠離自己——有可能推到另一個時間,甚至另一個宇宙。

克爾黑洞純粹是理論性的,但是如果它們確實存在,將是一個不錯的穿越到過去或將來的單向時間穿梭機。雖然極度發達的文明可能會開發出一些手段,使借助克爾黑洞的時間穿梭變得非常精確,但是我們并不知道哪里存在一個“天然的”克爾黑洞。

蟲洞

理論上的克爾黑洞不是時間穿梭的唯一捷徑。很多科幻作品都提到了另一種東西——愛因斯坦-羅森橋,當然它更通俗的名字叫蟲洞。

想象空間是一個二維平面,那么蟲洞就是能連接相聚很遠亮點的快捷通道

根據愛因斯坦的廣義相對論,蟲洞是可以存在的,因為任何質量都可以使時空發生彎曲。要理解這種彎曲,你可以想象一下,有兩個人,分別拎著床單的四個角,并把它拽緊。如果一個人在床單上放了一個壘球,這個壘球會滾到床單的中間,并使床單在這個點上發生彎曲。這時,如果你再將一個彈球放在這個床單的邊緣,它就會由于床單的彎曲向壘球滾過去。

這是一個簡化了的例子,宇宙是四維的,而不是二維的。你可以想象將這個床單折疊起來,中間就會出現一個空間。在上面的一層放一個壘球,會使床單發生彎曲。如果本來在下面一層對應的位置就有一個同樣質量的物體,壘球就會逐漸與這個物體相遇。這就類似于蟲洞形成的過程。

在空間里,位于宇宙不同部分的物體可能最終會相遇,形成一個通道。在理論上,這個通道連接著兩個獨立的時間,物體可以在這兩個時間中穿梭。當然,也有可能存在一些我們不知道的物理或量子性質會阻礙蟲洞的形成。而且即使蟲洞真的存在,可能也是非常不穩定的。

霍金說,蟲洞可能存在于量子泡沫里,也就是宇宙中最小的環境。在那里,會有細小的通道不時出現和消失,在瞬間將兩個獨立的時空連接在一起。

這樣的蟲洞可能太小,存在的時間也太短暫,人類無法通過它們完成時間旅行,但是我們能否在將來捕捉到它們,使它們穩定下來,并將它們擴大呢?霍金說,當然可以,如果你準備好承受某些代價的話。如果我們人為地延長連接折疊時空的通道存在的時間,就可能出現一個輻射反饋環,毀掉時間通道,就像音頻反饋毀掉揚聲器一樣。

宇宙弦

出了黑洞和蟲洞,還有另一種理論上的宇宙現象,有可能幫助我們實現時空之旅,這就是物理學家J. Richard Gott在1991年提出的宇宙弦。顧名思義,這是一些像弦一樣的物體,有些科學家認為它們是在宇宙形成初期形成的。

這些弦編織成了整個宇宙,它們比單個原子還要細,并處于極大的壓力之下。自然,這就意味著,它們會對靠近的任何物體產生一種引力,使吸附到宇宙弦上的物體以不可思議的速度運動。通過將兩根宇宙弦靠近在一起,或者將一根宇宙弦靠向黑洞,有可能使時空產生足夠的彎曲,形成一個封閉的類時間曲線。在理論上,利用兩根宇宙弦(與宇宙弦與黑洞)產生的引力,宇宙飛船可以將自己彈射會過去。為了做到這一點,飛船要圍繞宇宙弦做環狀飛行。

宇宙的異常可以把任何太空飛船變成時間機器

但是,量子弦過于理論化了。Gott自己也說過,為了倒退一年的時間,需要宇宙弦中具有整個銀河系一半的質量和能量。換句話說,你必須用銀河系中一半的原子為你的時間機器提供能量。而且對于任何時間機器來說,你都無法回到比建造這臺時間機器更早的過去。

沒錯,這就是時間悖論。

時間旅行的悖論

我們前面提到過,回到過去這個概念有點違背因果法則。因必須早于果。即使最好的時間旅行計劃也會在這個法則下顯得有點站不住腳。

如果你回到了200年前,你就出現在了你出生之前的那個時間。果(你的存在)先于了因(你的出生)。

為了更好地理解我們必須應對的局面,可以考慮一下著名的祖父悖論。你是一個穿越時間的刺客,而你刺殺的目標恰好是你的祖父。你穿過蟲洞,見到了你18歲的祖父。你舉起槍,但是在你扣動扳機的時候會發生什么呢?

穿越時空的刺客

想一想,你肯定生不出來了。你的父親也不存在了。如果你在過去殺死了自己的祖父,他就不會有兒子。那么也就不會有你,你也就沒辦法成為一個穿越時空的刺客。你就不會扣動扳機,這一連串的事情也就不存在了。我們把這叫做不一致的因果鏈條。

另一方面,我們還必須考慮到一致的因果鏈條。雖然這樣的時間旅行模式同樣引人深思,但是它不存在悖論。物理學家Paul Davies提出過一個這樣的因果鏈條:一個數學教授穿越到未來,偷了一個具有開創性的數學定理。然后,這位教授將這個定理給了一個很有前途的學生。后來,這個很有前途的學生就成長為后來被教授偷了定理的那個人。

這就是時間旅行的事后選擇模式。這意味著什么呢?我們再次假設你是那個穿越時空的刺客。在這種時間旅行模式下,你的祖父幾乎是不會死的。你可以扣動扳機,但是槍會出故障。也可能恰好這時有一坨鳥糞落下來,擾亂了你的視線,使你沒有射中,總之會發生某件事情,避免悖論的局面出現。

但是這就出現了另一種可能性:你所穿越到的過去或未來只是一個平行宇宙。你可以把平行宇宙想象成一個單獨的沙盒:你可以在這個沙盒里建造城堡,也可以毀掉它,但是對你的主沙盒不會產生絲毫的影響。所以如果你所穿越到的過去存在于一條獨立的時間線之中,那么殺死你的祖父就不是什么大不了的事情。當然,這可能意味著你每一次進行時間旅行都會進入一個新的平行宇宙,永遠也回不到自己原來的沙盒里面去了。

覺得很迷糊嗎?歡迎來到時間旅行的世界。


2015-09-01 23:00

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