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按照物理学定律,时间旅行可能吗,哪怕只是从理论上来讲?

关键词:物理 地球 爱因斯坦 宇宙 相对论   发布时间:2019-06-23 08:00:01

迷人又虚幻的时间旅行


按照物理学定律,时间旅行可能吗,哪怕只是从理论上来讲?

按照爱因斯坦的广义相对论的描述,宇宙中的一切事物都是以三维空间和一维时间来呈现的。

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我们能够随心所欲地在三维空间中移动——上下、前后、左右。但是,当面对四维时空的时候,我们似乎就束手无策了。在四维时空中,时间是沿着一个方向向前流动的,我们就像是在时间长河里漂浮的软木一样被牵着鼻子往前走。

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那么,什么是时间旅行呢?时间旅行是指人离开现在而置身于未来或过去。在科幻作品中,时间旅行是最令人激动的想法之一。

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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),然后启动时间机器,瞬间他就可以被带到那个时代。如此看来,进行时间旅行的确格外诱人——谁不想知道在3000年后科技会发展到什么程度?谁不想目睹恺撒大帝被刺实况?秦始皇登基大典?

到未来旅行其实并不难

根据物理学基本定律,时间旅行可能吗,哪怕只是从理论上来讲?至少,在亚原子世界中,时间旅行是可能的。

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比如,一个正电子(与电子紧密联系的反粒子)就可以被认为是流向过去的电子。因此,如果制造出一对正电子和电子,而后正电子与另一个不同的电子碰撞而湮灭,我们就可以把整个过程看作是单个电子在时空中作“之”字路线的运动:以电子的形式向前移动,然后以正电子的形式向后移动,最后再以电子的形式向前移动。

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但是,对于像人类这样的宏观物体,要实现这种运动的可能性是微乎其微的。感谢爱因斯坦,他让我们知道了,在宏观世界,另一种时间旅行是存在的。他在其1905年提出的狭义相对论中指出:

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对于速度接近光速的物体来说时间流逝变慢,至少对于静止的观察者来说是变慢了。想知道1000年后地球的样子吗?那就飞到距地球500光年的星球然后再回来,往返的速度都必须是光速的99.995%。当你回来时,地球已经苍老了1000岁,而你只增加了10岁。

事实上,已经有一个人进行过时间旅行,他就是帮助维修过哈勃太空望远镜的宇航员斯多瑞·马斯格瑞夫。他在太空轨道中待了53.4天,因此就比他一直待在家里年轻了千分之一秒。不过,由于他飞往太空的速度相对于光速来说很慢,所以时间旅行的效果在他身上微乎其微。

在21世纪,我们在时间旅行方面的探索或许能进一步(当然很可能只是一小步而已)——如果我们把一名宇航员送到水星上,让他在那里生活30年,然后再返回地球,届时,他将比一直生活在地球上年轻20秒。之所以这样,是因为水星上的时钟走得比地球慢,原因在于水星绕太阳运行的速度比地球快,且水星离太阳更近,更深受太阳引力的影响,根据相对论,速度和引力都能影响时钟的快慢。

假如我们想回到从前呢

然而,以这种办法进行时间旅行有一个让人担忧之处,就是你飞到未来之后可能就被困在那里回不来了。这又该怎么办呢?这里,爱因斯坦或许再次为我们提供了答案。他在其1915年提出的广义相对论中指出:大质量或大能量的物体会把其附近的时空扭曲。如果质量或能量足够大,被扭曲的时空就会发生折叠,在现在与未来之间形成“虫洞”

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(就像虫子从苹果的一边直接啃到苹果的另一边留下的洞一样)。穿过虫洞有点像穿过山上的隧道:为了到达山的另一侧,你可以翻山过去,但通过隧道无疑更快速。因此,虫洞就是一条连接两个时空的时光隧道。

1988年,美国物理学家基普·索恩及其同事指出,

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我们能够用这样的虫洞回到从前,办法是:固定虫洞的一个端口,而以光速在空间移动另一个端口,然后跳入移动的端口中。就如同进行太空飞行的宇航员一样,在运动的端口,时间将会变慢。而后,当你从固定的端口迅速蹦出来时,你会发现自己是从过去的状态中出现的,也就是你回到了从前。

不过,虫洞也有自己的问题:它的开口微乎其微,并且会于瞬间关闭。有科学家想了一个办法:使用暗物质。何谓暗物质?用行外人的话来说,就是比没有重量还轻的物质,

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也即具有负密度的物质。听起来似乎不可思议,但荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔

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早在1948年就提出,当两个导电盘在真空中靠近时,就会产生负密度区域,该区域对导电盘有向内的压力。卡西米尔所说的负密度压力,后来在实验室中得到了证实。

基于这一理论,索恩及其同事提议建一个周长近10亿千米的虫洞,用只相隔400个质子直径距离的卡西米尔导电盘于中间隔断。不过,进行时间旅行者必须设法在导电盘中打开通向虫洞的门。那么,建造这个虫洞所需要的物质材料是多少呢?那可是构成太阳的物质的两亿倍之多!显然,那是未来更高级的文明才能尝试的事,绝非21世纪的工程师所能为。

1991年,有科学家指出,可以用另一种机制来解决时间旅行问题,那就是宇宙弦理论。

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该理论认为,宇宙大爆炸时所产生的威力应该形成了无数细长且能量高度集聚的细管子,这种管子被称作“宇宙弦”。宇宙弦有点像蜘蛛丝,但远比原子细小,1厘米的宇宙弦比整座喜马拉雅山的质量还大。宇宙弦要么伸展到无穷远处,要么形成闭合的无限长的环圈。有人预言说,只要能找到一大圈宇宙弦,调控它,使之在自身张力作用下收缩,就橡皮筋收缩一样,宇宙弦产生的巨大能量就能使时空发生极大的弯曲,并以光速旋转。

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如果你乘坐按照宇宙弦理论设计的宇宙飞船绕圈飞行的话,你就可以回到过去。

现在的物理学法则会禁止我们回到过去旅行吗

不幸的是,哪怕只想回到一年前的过去,所需要的宇宙弦所具有的能量也必须达到整个银河系总能量的一半。更糟糕的是,宇宙弦收缩可能会生成一个巨大的旋转黑洞,而黑洞会吞没任何一个时间旅行基地,你可能哪里都还没去成,就已经在无限的时空弯曲中尸形全无了。

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就算你能幸免,以上两种时间旅行机器的物理性质也决定了:你不可能回到过去。

保守的观点认为,时间旅行不能改变过去,因为过去的事实是时空存在的一个部分。比如,如果你回到你的外祖母还是小女孩的时代并把她杀死,那么还会有你吗?这就是著名的“外祖母悖论”。对于这个问题,牛津大学物理学家大卫·伊奇却以量子力学的观点加以解决。他认为有多重宇宙存在,因而回到过去改变历史是可能的。也就是说,可能存在许多互相交织的世界历史。如果你回到从前杀死了你的外祖母,那么其结果只是导致时空产生一个与你所在的世界平行的另一个世界,而这个平行的世界与你的世界是互不相干的。

著名物理学家霍金(已故)

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则从另一个角度讨论了这个问题,他称其为“编年史保护猜测”。霍金认为,从物理学定律上来说,改变过去是不可能的,制造和使用时间旅行机器都将受到量子效应和其他因素的阻碍。

如此看来,时间旅行是否可行迄今尚无定论。

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