Thursday, September 21, 2017

我们怎样才能制造出时间机器?

——那或许不太容易,但是有可能是可行的

保罗·戴维斯 良忠译自《科学美国人》2002年9月号

在时间中向未来旅行是足够容易的。如果你接近于光速运动或者身处强大的引力场中,会感到时间 流逝得比其他人更缓慢——换句话说,你进入了他们的未来。

旅行到过去可需要相当的技巧。相对论允许这一旅行发生在特定的时空结构里:一个旋转的宇宙, 一个旋转的柱体,以及非常著名的虫洞——一条贯穿空间和时间的隧道。

自从H. G. Wells于1895年撰写了他的著名小说《时间机器》以来,时间旅行便成为一个流行的科幻小说主题。但是它真的能实现吗?建造一台把人运送到过去或是未 来的机器是可能的吗?

数十年来,时间旅行一直处于主流科学的边缘。然而,近几年内,该话题在一些理论物理学家中间 已成了个人的研究爱好。这一变化部分是出于娱乐消遣——想象时间旅行可是件趣事。但此项研究也有其严肃的一面。理解因果关系是尝试建立一个统一的物理学理 论的关键部分。如果无限制的时间旅行是可能的,那么在原则上,这样一个统一理论的性质可能会受到极为严重的影响。

我们对时间最完善的理解来自Einstein的相对论。在这些理论诞生之前,时间被广泛地认 为是绝对的和普遍的,不管人们的物理状态如何,时间对于每个人都一样。在Einstein狭义相对论中,他提出测量两个事件的时间间隔取决于观察者如何运 动。至关重要的是,运动状态不同的两名观察者对于同样的两个事件将会体验到不同的持续时间。

经常用“双生子佯谬”描述的那个效应:假定Sally和Sam是双胞胎,Sally搭乘一艘 飞船以高速驶向附近的一颗恒星去旅行,然后折返飞回地球,而Sam只呆在家里。对于Sally而言,旅行大约持续了一年,但当她返回到地球并跨出宇宙飞船 时,她发现地球上已经过去了10年,现在她的兄弟比她大九岁。尽管他们在同一天出生,可是Sally和Sam是不再具有相同的年龄。这个例子说明了一类有 限的时间旅行。实际上,Sally已经跳跃到了九年后的地球的未来。

系统 详细情况 累积的时间差
航空飞行 以920千米的时速飞行八小时 10毫微秒(相对于惯性参考系)
核潜艇巡游 在300米的深处呆六个月 500毫微秒(相对于海平面)
宇宙射线中的自由中子 能量高达1018电子伏特 由15分钟延长至30,000年
中子星 红移度为0.2 时间膨胀了20%(相对于外太空

喷气式飞机走慢了

被称为时间膨胀的效应,总会发生于两名作相对运动的观测者之间。在日常生活中我们不会察觉到 奇异的时间挠曲(time wraps),因为只有当运动接近于光速时,这一效应才会变得显著。即使以飞机的速度,在一次典型的旅行中的时间膨胀总计就仅仅几纳秒——还不够完成一次 威尔斯式的冒险(此处应该指威尔斯的科幻小说《时间机器》中短暂的时间旅行——译注),不过原子钟有足够的准确度来记录此项变化并证实时间的确被运动延长 了。所以旅行到未来是一个已被证明的事实,即使迄今为止它只达到了如此无法令人激动的程度。

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。

我的头正在旋转

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。

在环内

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。】[参 见《负能量,虫洞和时空弯曲行驶》,Lawrence H. Ford 和Thoms A. Roman,《科学美国人》,2000年1月号 ]。

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。

审查!

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(左图)及其解决的方法(右图)

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。

当时间旅行者试图改变过去,这类明显不可能的佯谬就会出现。但那并不阻止某人成为过去的一部 分。假定时间旅行者回到过去并从谋杀中拯救了一个年轻女孩,这个女孩长大后成了他的母亲。那么因果环节现在便是自洽的,不再自相矛盾了。因果一致性可能强 行限制了时间旅行者所能做的事,但这并不排除时间旅行本身。

即使时间旅行不是严格地自相矛盾,它依然是不可思议的。仔细设想这么一位时间旅行者,他跳跃 到一年后,读取了《科学美国人》未来版本上最新的数学定理。他记下了其中的细节,回到自己所处的时代,并把这一定理教授给一名学生,就是这名学生日后为 《科学美国人》撰写了文章。这篇文章当然正是那位时间旅行者所读到的。接着问题出现了:关于这则定理的信息来自何处?不是源于时间旅行者,因为他只是个读 者,但也不是来自那名学生,后者可是从前者那里学到了定理。信息似乎无缘无故蓦地就出现了。

时间旅行异乎寻常的推论致使一些科学家彻底拒绝这一想法。剑桥大学的史蒂芬·霍金提出一个 “年代学保护猜想”,这将宣布因果环的失效。众所周知,由于相对论容许因果环存在,年代学保护需要引入某一其他因素进行调解,以防止旅行到过去的情况发 生。这一因素可能是什么呢?一个提议是量子过程会解决这项难题。时间机器的存在将允许粒子循环进入它们的过去。计算结果暗示了随即发生的扰动将会自行增 强,从中造成能量逃逸的浪涌可导致虫洞崩溃。

年代学保护仍不过是个猜想而已,因此时间旅行依然保留其可能性。解决事情的一个最终方案必须 期待量子力学和引力的成功结合,也许要借助弦理论或它的扩展理论,即所谓的M理论。我们甚至可以想象下一代粒子加速器将能生成比亚原子尺度的虫洞,它们能 存在足够长的时间,使得附近的粒子能够执行转瞬即逝的因果环。这要比威尔斯对于时间机器的想象深远得多,它将永远改变我们的物理实在图景。

来源: 三思科学报道

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