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时间旅行

2012-02-12 21:19:39 本文行家:宇宙与道

时间旅行的概念最早出现在科幻作品中,它是最令人激动的想法之一,登上时间机器,一个人就可以利用控制系统确定任何一个日期(过去或未来),然后时间机器就可以在瞬间将他带到那个时代。

时间旅行 - 简单概述

时间旅行时间旅行

时间旅行的概念最早出现在科幻作品中,它是最令人激动的想法之一,登上时间机器,一个人就可以利用控制系统确定任何一个日期(过去或未来),然后时间机器就可以在瞬间将他带到那个时代。问题是时间机器会产生明显的悖论,一个人可以在他自己出生之前杀死他的父亲,从而阻止他自己出生。有些科学家认为,大自然总是巧妙智胜的进行时间旅行的人们,使他们无法完成可以形成任何悖论的行为,也就是说,你无法杀死你的父亲,亦或是他自己。但是这种解释太过于牵强。

实际上时间旅行这个概念本身还是模糊不清的,人们对它极大的兴趣恐怕还是源于对时间的过去未来的强烈好奇心。我们来描述一种回到过去的情形,比如你乘坐时间机器回到了过去,看到了你自己,这意味着你必须在童年看到过一个成年的自己。否则就不能自圆其说,就不能称为回到过去,充其量是见到一个和过去的世界类似的世界。既然是回到过去,就不容一丝一毫的偏差。而同样,你所见到的那个你在未来同样要乘坐时间机器再回到过去。而“他”的未来似乎已经由你演绎了,同样你的未来也已经有一个“你”,也就是你童年见过的哪个“你”演绎过了。而这似乎说一切都已经确定了,大家都在演绎确定的历史而已。然而显然我们是可以介入这“历史”的,时间机器存在的话就意味着你会知道结果,而你可以改变这结果,这就是悖论。时间和宇宙在朴素的概念上都具有唯一性,也就是说,如果宇宙之外还有一个宇宙,人们自然会把这两个宇宙合称为一个宇宙。但是在纯逻辑推理下,确实可以有另一个宇宙(甚至是多宇宙),这两个宇宙都在独立按自己的规律发展着,时间旅行就是进入另一个宇宙,你可能会见到另一个宇宙的你。当然在严格推理下这种解释同样有很多的漏洞,两个宇一但有联系的话,相互的影响是有很多问题需要协调的。

实际上时间是没有方向性的,时间和空间都是我们在描述现实的物质世界时引入的抽象概念,它不是如物质粒子这样客观的实体,是为了对现实世界进行数学描述时引入的一种度量概念。时间与空间在这些数学公式中的地位是极其相似的,但是有一点不同,时间是不能静止的,它总给人一种在不断“流逝”的感觉。但事实上这是因为世界是在不断变化中的,这才是让我们认为时间在“流逝”的根本原因。如果你被时间这个概念困惑的话,不如说,时间根本是不存在的,存在的不过是一个不断演化的宇宙。时间的概念就是对这个演化宇宙进行描述时产生的,但是现在我们竟然希望用自己意识里的一个概念来主宰宇宙的变化规律,希望看到时间的逆转或者时间的旅行。你可以使用任何技术手段来探知过去和未来的信息,亦或构造过去或未来的现实。你甚至可以在理论上构造多宇宙,产生各种令人惊奇的理论,只要它们没有违反物理规律,并且有严格的数学推理。但是这些都不是时间旅行,不要试图在时间上跳到未来。

时间确实是可以有快慢之分的,强引力下的时钟会变慢,如果一个人在这种强引力下没有被分解掉的话,在他回到地球时,的确会比其它人年轻。但是时间绝不会倒退,和空间哪样可以沿反方向行进。在狭义相对论中,运动的越快,时间就越慢,所以人们会说当超过光速的时候,时间就会倒过来。但是你应该发现对于超过光速的运动,那个变换因子就成为一个虚数,而只有负数才应该被认为是时间的逆转。

在现有的科学体系下,时间具有严格的单向性。在所有的物理定律中,只有热力学第二定律带有时间方向箭头,这就给人一种时光流淌消逝不再的感觉。因此回首检阅过去,或者提前观瞻未来,成为人类的一个永恒梦想。[1]

时间旅行 - 相对论

狭义相对论狭义相对论

爱因斯坦人们对时间最完善的理解来自爱因斯坦的相对论。在相对论问世的1905年,爱因斯坦在他的相对论中说:时间是相对的,当我们以接近或超过光速的运动的时候,时间会很慢或静止,也就是说,如果一个人以接近光速旅行,那么时间对他来说就会停滞,这太令人振奋了,当人乘坐接近光速的飞船去旅行,在旅行的过程中时间就会变慢,因此,当他再回到地球的时候就可能已经过了一个世纪。对他来狭义相对论说,只要花很少的时间就能进入未来世界。之前,时间被广泛地认为是绝对的和普遍的,不管人的运动状态如何,时间对于每个人都是一样的。但是,1905年爱因斯坦的狭义相对论指出:光速无法超越,时间不可能倒流。

时间旅行 - 可能性

爱因斯坦爱因斯坦

时间旅行的可能性在理论物理研究领域一直被很严肃地探讨着。

H•G•韦尔斯在《时间机器》中探讨了这些可能性,正好像其他无数的科学幻想作家那样。科学幻想的许多观念,如潜水艇以及飞往月亮等等都被科学实现了。那么,时间旅行的前景如何。

1949年库尔特·哥德尔库尔特·哥德尔发现了广义相对论允许的新的时空。这首次表明物理学定律的确允许人们在时间里旅行。哥德尔是一名数学家,他因证明了不完备性定理而名震天下。该定理是说,不可能证明所有真的陈述,哪怕你把自己限制去证明在像算术这么一目了然而且枯燥的学科中所有真的陈述。这个定理也许是我们理解和预言宇宙能力的基本极限,然而迄今它还未成为我们寻求完整统一理论的障碍。

哥德尔在和爱因斯坦于普林斯顿高级学术研究所度过他们晚年时通晓了广义相对论。他的时空具有一个古怪的性质:整个宇宙都在旋转。人们也许会问:“它相对于何物而旋转?”其答案是远处的物体绕着小陀螺或者陀螺仪的指向旋转。

这导致了一个附加的效应,一位航天员可以在他出发之前即回到地球。这个性质使爱因斯坦非常沮丧,他曾经以为广义相对论不允许时间旅行。然而,鉴于爱因斯坦对引力坍缩和不确定原理的无端反对,这也许反而是一个令人鼓舞的迹象。因为我们可以证明,我们生存其中的宇宙是不旋转的,所以哥德尔找到的解并不对应于它。它还有一个非零的宇宙常数。宇宙常数是当爱因斯坦以为宇宙是不变时引进的。在哈勃发现了宇宙的膨胀后,就不再需要宇宙常数,而现在普遍认为它应为零。然而,之后从广义相对论又找到其他一些更合理的时空,它们允许旅行到过去。其中之一即是旋转黑洞的内部。黑洞模拟图另外一种是包含两根快速穿越的宇宙弦的时空。顾名思义,宇宙弦是弦状的物体,它具有长度,但是截面很微小。实际上,它们更像在巨大张力下的橡皮筋,其张力大约为1亿亿亿吨。把一根宇宙弦系到地球上,就会把地球在1/3O秒的时间里从每小时零英里(1英里= 1.609公里)加速到每小时60英里。宇宙弦初听起来像是科学幻想物,但有理由相信,它在早期宇宙中可由对称破缺机制而产生。因为宇宙弦具有巨大的张力,而且可以从任何形态起始,所以它们一旦伸展开来,就会加速到非常高的速度。

哥德尔解和宇宙弦时空一开始就扭曲,使得总能旅行到过去。上帝也许会创生了一个如此卷曲的宇宙,但是我们没有理由相信他上帝会这样做。微波背景和轻元素丰度的观测表明,早期宇宙并没有允许时间旅行的曲率。如果无边界设想是正确的,从理论的基础上也能导出这个结论。这样问题就变成:如果宇宙初始就没有时间旅行所必须的曲率,我们能否随后把时空的局部区域卷曲到这种程度,以至于允许时间旅行?

快速恒星际或星系际旅行是一个密切相关的问题,也是科学幻想作家所关心的。根据相对论,没有东西比光运动得更快。因此,如果我们向我们最近邻的恒星α-半人马座——发送空间飞船,由于它大约在4光年那么远,所以我们预料至少要8年才能等到旅行者们回来报告他们的发现。如果要去银河系心银河系探险,至少要10万年才能返回。相对论确实给了我们一些宽慰。

因为时间不存在惟一的标准,而每一位观察者都拥有他自己的时间。这种时间是用他携带的时钟来测量的,这样航程对于空间旅行者比对于留在地球上的人显得更短暂是可能的。但是,这对于那些只老了几岁的回程的空间旅行者,并没有什么值得高兴的,因为他发现留在地球上的亲友们已经死去几千年了。这样,科学幻想作家为了使人们对他们的故事有兴趣,必须设想有朝一日我们能运动得比光还快。大部分这些作家似乎未意识到的是,如果你能运动得比光还快,则相对论意味着,你能向时间的过去运动,正如以下五行打油诗所描写的那样: 
有位年轻小姐名怀特, 
她能行走得比光还快。 
她以相对性的方式, 
在当天刚刚出发, 
却已在前晚到达。

关键在于相对论认为不存在让所有观察者同意的惟一的时间测量。相反地,每位观察者各有自己的时间测量。如果一枚火箭能以低于光的速度从事件A(如2012年奥林匹克竞赛的100米决赛)至事件B(如α-半人马座议会第100,004届会议的开幕式),那么根据所有观察者的时间,他们都同意事件A发生于事件B之先。然而,假定飞船必须以超过光的速度才能把竞赛的消息送到议会,那么以不同速度运动的观察者关于事件A和事件B何为前何为后就众说纷纭。按照一位相对于地球静止的观察者,议会开幕也许是在竞赛之后。这样,这位观察者会认为,如果他不理光速限制的话,该飞船能及时地从A赶到B。然而,在α-半人马座上以接近光速在离开地球方向飞行的观察者就会觉得事件B,也就是议会开幕,先于事件A,也就是百米决赛发生。相对论告诉我们。对于以不同速度运动的观察者,物理定律是完全相同的。

这已被实验很好地检验过。人们认为,即使用更高级的理论去取代相对论,它仍然会被作为一个特性而保留下来。这样,如果超光速旅行是可能的,运动的观察者会说,就有可能从事件B,也就是议会开幕式,赶到事件A,也就是百米竞赛。如果他运动得更快一些,他甚至还来得及在赛事之前赶回,并在得知谁是赢家的情形下放下赌金。 
要打破光速壁垒存在一些问题。相对论告诉我们,飞船的速度越接近光速,用以对它加速的火箭功率就必须越来越大。对此我们已有实验的证据,但不是空间飞船的经验,而是在诸如费米实验室或者欧洲核子研究中心的粒子加速器中的基本粒子的经验。我们可以把粒子加速到光速的99.99%,但是不管我们注入多少功率,也不能把它们加速到超过光速壁垒。空间飞船的情形也是类似的:不管火箭有多大功率,也不可能加速到光速以上。[1]

时间旅行 - 虫洞

银河系银河系

虫洞,又称虫孔。这样看来,快速空间旅行和往时间过去旅行似乎都不可行了。然而,还可能有办法。人们也许可以把时空卷曲起来,使得A和B之间有一近路。在A和B之间创造一个虫洞就是一个法子。顾名思义,虫洞就是一个时空细管,它能把两个几乎平坦的相隔遥远的区域连接起来。

虫洞两个端点之间在几乎平坦的背景里的分离和通过虫洞本身的距离之间没必要有什么关系。这样,人们可以想像,他可以创造或者找到一个从太阳系附近通到。半人马座的虫洞半人马座。虽然在通常的空间中地球和α-半人马座相隔20万亿英里,而通过虫洞的距离却只有几百万英里。这样百米决赛的消息就能赶在议会开幕式前到达。然后一位往地球飞去的观察者也应该能找到另一个虫洞,使他从α-半人马座议会开幕在赛事之前回到地球。因此,虫洞正和其他可能的超光速旅行方式一样,允许人们往过去旅行。

建造虫洞型时间机器的三个不太简单的步骤

1.寻找或建立一个虫洞,开辟一个隧道用来连接太空中两个不同的区域。大型虫洞可能天然地存在于外太空中,是宇宙大爆炸的遗留物。若事实并非如此,那我们只好凑合着使用比原子更小的虫洞,它们或者是自然的产物(在我们周围,每一瞬间都有这种小型虫洞诞生和消亡),或者是人造产品(就如此处图中所示,它们由粒子加速器生产出来)。这些更小的虫洞必须被扩大到实用的尺寸,也许要使用那些在宇宙大爆炸不久之后导致空间膨胀的能量场。

2.使虫洞稳定下来。注入利用所谓的Casimir效应由量子产生的负能量,虫洞便允许信号和物体安全地穿越它。负能量会抵制虫洞坍缩为密度无穷大或接近无穷大的一点的趋势。换句话说,它阻止了虫洞演变成黑洞。

3.牵引虫洞。一艘具有高度先进技术的太空船将虫洞的入口互相分离开。一个入口可能被安置在中子星表面,那是一颗拥有强大引力场、极度致密的恒星。强烈的引力使得时间变慢。因为在虫洞的另一个入口处,时间流逝得更快,结果这两个入口不但在空间内而且在时间上都被分离开了。

为了观察真实而显著的时间挠曲,一个人必须跃出通常的经验领域。在大型加速器里,亚原子粒子可以被加速到接近光速的程度。这些粒子中的一部分,例如μ介子,拥有一台内置的时钟,因为它们以确定的半衰期发生衰变;根据Einstein的理论,观测到在加速器里高速运动的μ介子以慢动作衰变。一些宇宙射线也经历了惊人的时间挠曲。这些粒子如此接近于光速运动着,以致依照它们的视角,在几分钟之内便能穿过银河系,纵然在地球的参照系中它们似乎花费了数万年。如果时间膨胀没发生过,那些粒子绝不会在这里出现。

以高速运动是跃向未来的一种方式。引力则是另一种手段。在Einstein的广义相对论中,他预言引力可以减缓时间的流逝。与在地下室相比,钟在顶楼上要走得快一些,在更接近于地心因而也更深入于引力场的情况下,这一现象将愈加显著。类似地,钟在太空里比在地面上走得更快。尽管这一效应微乎其微,但它已被精确的时钟直接测得。的确,在全球定位系统中必须考虑到这些时间挠曲效应。如果他们没有考虑到这一点,海员、出租车司机和巡航导弹将会发现自己偏离出规定轨道有许多公里。

中子星表面的引力是如此强大,以致时间的流逝速度与地球上相比大约减缓了30%。在这样一颗恒星上进行观察,事件看起来就像是快进的录像。黑洞代表了时间翘曲的极致;在该天体的表面,时间相对于地球来说是停滞的。这意味着,倘若你从附近落入黑洞,在你到达其表面所花费的短暂的时间内,广阔的宇宙已经历了无限长的时期。因此,就黑洞外部的宇宙而言,黑洞内部是时间终结的区域。如果一名宇航员可以急速地移动,他能够十分靠近黑洞并且安然无恙地返回——没有人不觉得这是富于幻想的,它的鲁莽也就别提了,至于前景嘛——他可以跃进遥远的未来。

到现在为止,我已经讨论了在时间中朝未来旅行的情况。那么逆行又会怎样呢?这可要成问题得多。1948年,新泽西州普林斯顿高级研究所的Kurt Gabriel提出了爱因斯坦引力场方程的一个描述旋转宇宙的解。在这个宇宙中,一名宇航员可以在太空中旅行来实现回到过去的目的。这是引力影响了光的结果。宇宙的旋转导致光(因而也包括事物之间的因果联系)被拽住并环绕在它的内部,这使得一个处于封闭环内的实物可以在空间的闭环中移动,同时也在时间的闭环中旅行,而任何时候都不会相对邻近的粒子超光速。Gabriel的解释被当作数学上的奇谈而束之高阁——毕竟,没有观测迹象表明宇宙作为整体在旋转。他的计算结果不过是证明了在时间中逆行并不违背相对论。的确,爱因斯坦表示他曾为自己的理论可能在某些情况下允许回到过去的想法而感到困惑。

其他一些允许回到过去的猜想也已被发现。例如,在1974年,Tulane大学的Frank J. Tipler计算了一个巨大的无限长旋转柱体,在它的轴线处,宇航员们能够接近于光速拜访到自己的过去,即拽曳柱面附近的光线形成环状。1991年,普林斯顿大学的J. Richard Gott预言了宇宙弦——宇宙学家设想它的结构是在宇宙大爆炸早期产生的——能产生相似的结果。但是20世纪80年代中期所涌现的最逼真的时间机器剧本,是基于虫洞的概念构想出来的。

在科幻小说中,虫洞有时被称作星门;它们提供一条贯通空间中彼此相距很远的两点之间的捷径。跳过一个假想的虫洞,你可能会在片刻之后出现于银河系的另一端。虫洞自然地符合广义相对论,凭借引力,不仅可以使空间弯曲,而且还能让时间发生扭曲。理论允许连接空间中的两点的可选路径和隧道这样的东西的存在。数学家提出了多重连结的空间形式。正像穿越山底的隧道要比山表面的道路更短一样,虫洞可能也要比贯穿于普通空间的寻常路线来得更短。

卡尔·萨根在其1985年的小说《接触》中,就利用了虫洞作为一个虚构的装置。在萨根的提议下,Kip S. Thorne和他在加州理工学院的同事们着手去考察虫洞是否与已知的物理学一致。他们的出发点是虫洞作为一个与黑洞一样具有可怕引力的物体。但与黑洞不同的是,后者只提供一次没有目的地的单程旅行,而虫洞将同时拥有一个出口和一个入口。

由于虫洞是可穿越的,它必定包含了Thorne所说的奇异物质。实际上,这是某种能产生反重力效果来抵制一个大规模系统因其自身强大的重力而被压入黑洞的自然趋势的物质。反重力,或是万有斥力,能够由负能量或负压力产生。众所周知,负能量状态存在于特定的量子系统中,它表明Thorne的奇异物质并不被物理学定律所禁止,尽管目前尚不清楚,是否能收集到足够多的抗重力材料以稳定一个虫洞。

不久Thorne和他的同事们认识到如果稳定的虫洞能够被制造出来,那么它很容易转变为一台时间机器。一名穿越虫洞的宇航员也许不仅能出现在宇宙的某处,而且还会处于某一时期,也就是——在未来或者是过去。

为了使虫洞适合于时间旅行,它其中的一个洞口应被引到一颗中子星那里,并安置在接近中子星表面的地方。恒星的引力会减缓虫洞洞口附近的时间流逝,这使得虫洞两端之间的时间差逐渐积累起来。如果两个端口都放置在空间中合适的地方,那么时间差将保持冻结状态。

假设这一差值是10年。一名宇航员从一个方向穿越虫洞,他将跳到10年后的未来,反之,宇航员若是从另一方向穿越虫洞,他将跳到10年前的过去。第二位宇航员以高速穿过平常的太空,回到出发点,他也许先于出发之前就回到家了。换句话说,空间中的封闭环可能会演变为时间中的环。一个限制是宇航员不能回到首次建立虫洞以前的那段时期。

一项可怕的难题是最初创生的虫洞将会阻碍虫洞型时间机器的制造。也许空间由这么一类结构自然地串连成一体——宇宙大爆炸的遗留物。如果是这样的话,一个超级文明大概能使用一个虫洞。或许,虫洞是在极小尺度上(所谓的普朗克长度,大约是原子核尺度的10-20那么小)天然生成的。原则上,这样一个微小的虫洞可由脉冲能量来稳定,然后再以某种方式膨胀到可以利用的尺寸。

假如工程上的诸多难题都被克服了,时间机器的生产将会打开因果佯谬的潘多拉魔盒。例如,一个时间旅行者到访过去,谋杀了还是一个年轻女孩的母亲。我们如何弄明白这种事情意味着什么?如果这个女孩死了,她就不能成为时间旅行者的母亲。但倘若这名时间旅行者从未出现过,他就不能回到过去并谋杀自己的母亲。

著名的母亲佯谬(有时会用其他的家庭亲属关系来系统地阐述)是由于人们或物体能够在时间中逆行并改变过去时所引发的。一个简化的版本是以弹珠为例。一颗弹珠穿过了虫洞型时间机器,随后便会击中处于更早时候的自身,从而永远阻止它进入虫洞。

佯谬的解决方案源于一个简单的认识:弹珠不能违背逻辑或违反物理学定律行事。它当然不能以阻止自己的方式去穿越虫洞,但没有任何东西会制止弹珠以其他无限多的方式穿过虫洞。

时间旅行 - 量子物理

半人马座半人马座

时空不同区域之间的虫洞的思想并非科学幻想作家的发明,它的起源是非常令人尊敬的。

1935年爱因斯坦和纳珍•罗森写了一篇论文。在该论文中他们指出广义相对论允许他们称为“桥”,而现在称为虫洞的东西。爱因斯坦——罗森桥不能维持得足够久,使得空间飞船来得及穿越:虫洞会缩紧,而飞船撞到奇点上去。然而,有人提出,一个先进的文明可能使虫洞维持开放。人们可以把时空以其他方式卷曲,使它允许时间旅行。可以证明这需要一个负曲率的时空区域,如同一个马鞍面。通常的物质具有正能量密度,赋予时空以正曲率,如同一个球面。所以为了使时空卷曲成允许旅行到过去的样子,人们需要负能量密度的物质。

能量有点像金钱:如果你有正的能量,就可以用不同方法分配,但是根据本世纪初相信的经典定律,你不允许透支。这样,这些经典定律排除了时间旅行的任何可能性。然而,量子定律已经超越了经典定律。量子定律是以不确定性原理为基础的。量子定律更慷慨些,只要你总的能量是正的,你就允许从一个或两个账号透支。换言之,量子理论允许在一些地方的能量密度为负,只要它可由在其他地方的正的能量密度所补偿,使得总能量保持为正的。量子理论允许负能量密度的一个例子是所谓的卡西米尔效应,甚至我们认为是“空”的空间也充满了虚粒子和虚反粒子对,它们一起出现分离开,再返回一起并且相互湮灭。现在,假定人们有两片距离很近的平行金属板。金属板对于虚光子起着类似镜子的作用。事实上,在它们之间形成了一个空腔。它有点像风琴管,只对指定的音阶共鸣。这意味着,只有当平板间的距离是虚光子波长(相邻波峰之间的距离)的整数倍时,这些虚光子才会在平板之中的空间出现。如果空腔的宽度是波长的整数倍再加上部分波长,那么在前后反射多次后,一个波的波峰就会和另一个波谷相重合,这样波动就被抵消了。

因为平板之间的虚光子只能具有共振的波长,所以虚光子的数目比在平板之外的区域要略少些,在平板之外的虚光子可以具有任意波长。所以人们可以预料到这两片平板遭受到把它们往里挤的力。实际上已经测量到这种力。并且和预言的值相符。这样,我们得到了虚粒子存在并具有实在效应的实验证据。

在平板之间存在更少虚光子的事实意味着它们的能量密度比它处更小。但是在远离平板的“空的”空间的总能量密度必须为零,因为否则的话,能量密度会把空间卷曲起来,而不能保持几乎平坦。这样,如果平板间的能量密度比远处的能量密度更小,它就必须为负的。

这样,我们对以下两种现象都获得了实验的证据。第一,从日食时的光线弯折得知时空可以被卷曲。第二,从卡西米尔效应得知时空可被弯曲成允许时间旅行的样子。所以,人们希望随着科学技术的推进,我们最终能够造出时间机器。但是,如果这样的话,为什么从来没有一个来自未来的人回来告诉我们如何实现呢?鉴于我们现在处于初级发展阶段,也许有充分理由认为,让我们分享时间旅行的秘密是不智的。除非人类本性得到彻底改变,非常难以相信,某位从未来飘然而至的访客会贸然泄漏天机。当然,有些人会宣称,观察到幽浮就是外星人或者来自未来的人们来访的证据(如果外星人在合理的时间内到达此地,他们则需要超光速旅行,这样两种可能性其实是等同的)。

然而,任何外星来的或者来自未来的人的造访应该是更加明显,或许更加令人不悦。如果他们有意显灵的话,为何只对那些被认为不太可靠的证人进行?如果他们试图警告我们大难临头,这样做也不是非常有效的。

一种对来自未来的访客缺席的可能解释方法是,因为我们观察了过去并且发现它并没有允许从未来旅行返回所需的那类卷曲,所以过去是固定的。另一方面,未来是未知的开放的,所以也可能有所需的曲率。这意味着,任何时间旅行都被局限于未来。此时此刻,柯克船长和星际航船没有机会出现。 

参考资料:
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