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自从威尔斯在1895年写下《时光机器》这部脍炙人口的小说后,时光旅行就一直是科幻小说的流行主题。可是这真的造得出来吗来源:https://www.atermamicrowave.com/cshi/202501-422.html?我们真能造部机器把人传送到过去或未来吗? 在过去数十年中,时光旅行一直是和科学殿堂沾不上边的,但近年来,这个话题已经开始在理论物理学家间发酵,其动机一部分是好玩,想一想时光旅行其实是蛮有趣的,但此研究也有它严肃的一面。了解因果关系,对于创制一统的物理理论是个关键。如果不受限的时光旅行竟成可能,甚或只是原理上行得通,则此一统理论的本质也会受到彻底的影响。 我们对时间的最佳认识是从爱因斯坦的相对论而来。在相对论问世前,一般认为时间是既绝对又普适,不论所处物理环境为何,它对每个人都一样。在其狭义相对论中,爱因斯坦倡议,我们测到的两个事件的时间间隔,会取决于观察者如何运动。重要的一点是,做不同运动的两位观察者感受同样两个事件,这两事件间流逝的时间并不相同。 在各种科幻小说中,时光旅行是最令人激动的设想之一。人们设想在登上时光机器后,可以在瞬间回到他所希望前往的那个时代。那么,人类是否真的进行时空旅行?是否真的可以通过机器回到过去?美国科学家近日表示,时光旅行只是一种美好的想法,在现实中是根本不可能实现的。 美国哥伦比亚大学物理学家、畅销书作者布莱恩-格林说,很多人都有过进行时光旅行的想法,他们或者是为了与故去的亲密爱人重逢,或者是希望能制止惨绝人寰的杀戮等。时光旅行不失为一种美好的愿望,它为各种科幻小说提供了绝妙的素材。关于如何回到过去,人们曾进行了无数的设想。“这些设想,如果仔细推敲,都是在跟物理学打擦边球。我们认为,所有这些设想,几乎无一成立。” 第四度空间编辑本段 在物理学上,时间被认为是除了长、宽、高之外的第四度空间。当你从家里走到零售店时,你在空间的三个维度都作了位移:长度、宽度、高度。其实,你也在第四维度--时间维度--进行了运动。 美国纽约城市大学天体物理学家、《空间:我们在宇宙中的家》一书的作者查尔斯说,“时间和空间在时空四维构造中密不可分”。查尔斯进一步解释说,时空可以看作是一块四维的弹性纤维。“当任何有质量的物体--你、我、以至一颗行星或其它星星--落到这块纤维上时,它就会激起一片涟漪。这个涟漪,相当于由带质量的物体引起的时空弯曲”。时空弯曲使物体沿着一条弯曲的路线运动,空间的曲率就是我们所熟知的重力加速度。 查尔斯还表示,根据天体物理学理论进行的推测表明,对于空间上的三个维度,人们可以来去自如。但对于时间维度,人们就无法如此自由了。在四维时空中,对于时间维,人们只能向前,不可能向后倒退。 回到过去的时光隧道编辑本段 关于时光旅行,人们有过很多美丽的遐想,最成熟的一个设想是通过虫洞。人们设想,通过虫洞,可以将两个不同的时空连接在一起。相连的两个时空,可以是两个完全不同的宇宙,也可以是同一宇宙的两个不同地方。任何物体都可以通过虫洞,从一个时空自由出入另一个时空。 美国纽约城市大学物理学家、《多维空间》和《平行世界》两本书的作者米奇奥-卡库说,“虫洞连接着将来,也连接着过去。但我们别太乐观了,因为供应时间机器的燃料绝不是人类目前的技术所能达到的”。卡库说,在时空这个物体上“钻孔”,需要一颗星星那么大的能量,或者相反,需要来自比“无”还要少的其它星体上的“负能量”。 超弦理论专家格林对上述设想提出质疑。超弦理论主张宇宙万物都是由一连串紧密排列的微细能量组成,随着它们不同的震动模式而衍生出不同的状态和现象。 格林说,“很多人对这种做法是否管用持怀疑态度。最乐观的估计是,如果你能打开这样一个孔,你就能从一个地点快速到达另一个地点,或者从一个时刻迅速赶往另一个时刻。” 宇宙弦理论编辑本段 另外一个时空旅行爱好者津津乐道的理论是宇宙弦理论。宇宙弦理论说的是,在不断膨胀的宇宙中,有贯穿整个宇宙的能量管。这些细细的管子,是早期宇宙的残留,据说质量非常之大,可以造成周围时空的巨大弯曲。 里查德-格特是美国普林斯顿大学的天文物理学家,曾著有《在爱因斯坦的宇宙中作时空旅行》一书。里查德-格特说,“宇宙弦或者是无限长,或者是成环形,它们没有起始点。它们就像意大利面条那样,或者是围成圆形的意大利面条来源:https://www.atermamicrowave.com/cshi/202501-251.html。两种弦理论是互不干涉的。由于它们都能给时空带来巨大弯曲,因此它们在理论上都给时光旅行提供了可能性。这是一个只有超级文明才有可能达到的目标,这远不是目前的我们所能做到的。我们甚至连自己星球上的能源都控制不了。” 但是,仍有一些科学家认为,回到过去在理论上是可能的,虽然这不大符合实际。里查德-格特同时也认为,人类可以在地球上看到某些短暂的宇宙粒子。对于人类来说,这些粒子的行程大约有数千年,但粒子感觉其穿越太空、到达地球的过程仅仅用了几分钟时间。实际上,这些宇宙粒子已经进入了未来。基于爱因斯坦的理论,可以将空间充分扭曲来制造一个局部的重力场,就如同一个能够以任意大小呈现的炸面包圈一样。重力场绕着这一炸面包圈围成一个圆圈,这样就使得空间和时间都能紧紧地“弯曲”到过去。尽管很难描述这一“炸面包圈”在现实生活中的样子,但数学公式显示,时光机器中每一阶段的时间都将在“炸面包圈”内的某一个空间内产生。 理论上说,在时光机器制成后回到过去的任一时间都是可能的。但到目前为止仍然有一个小小的障碍还未得到解决,那就是如何产生重力“炸面包圈”。科学家们进行过大量研究和思考,发现可能需要推动一个高质量物体做高速圆周运动。 时光旅行难成现实编辑本段 查尔斯在接受记者采访时说,从数学上讲,你当然可以说某种东西正沿着时间轴往后退。但在实际上,无论是你还是我,都无法回到过去。 卡库也表示了相同的观点,他说,如果存在一个万能理论的话,人类就可以通过时间隧道解决所有的上述难题,看时间旅行是否真的可行。“但这需要比我们目前的科技能力要先进得多得多的技术。不要幻想明天就有一个年轻天才在报纸上发表声明,说自己已经发明出了什么时间机器。” 格特目前正在担任一部关于时光旅行的**《超时空效应》的科学顾问。他在接受记者采访时表示,目前,关于在时间维度进行旅行,唯一确定的是每过去一分钟,我们就向未来迈出了一步。所以,对于那些想知道地球在一百万年之后是什么样子的人,科学家们有好消息等着他们。“如果你想知道地球在一百万年以后是什么样子,我可以告诉你怎么做”。格特给出的方法是:建造一艘宇宙飞船来源:https://www.atermamicrowave.com/xwzx/202412-130.html。以光速行驶一定的时间,然后再回到地球。当你走出飞船的那一刻,你可能就在一百万年之后的地球上了,而你本人,可能才只长了一岁来源:https://www.atermamicrowave.com/xwzx/202412-97.html。这样,你去未来地球旅行的愿望就实现了。

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,大自然总是巧妙的智胜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来源:https://www.atermamicrowave.com/cshi/202501-149.html。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。来源:https://www.atermamicrowave.com/zhishi/202412-95.html

相对论

目前,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。

时间旅行的可能性

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来源:https://www.atermamicrowave.com/bkjj/202412-60.html?6?1G?6?1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呢?

1949年库尔特·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来源:https://www.atermamicrowave.com/cshi/202501-354.html。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。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。如果要去银河系中心探险,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**名怀特,

她能行走得比光还快。

她以相对性的方式,来源:https://www.atermamicrowave.com/cshi/202501-291.html

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之先来源:https://www.atermamicrowave.com/cshi/202412-71.html。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来源:https://www.atermamicrowave.com/bkjj/202412-82.html。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来源:https://www.atermamicrowave.com/cshi/202501-240.html。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。

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