【科普課堂】霍金和他的時序保護猜想

2021-01-19 CNKI大數據


紐西蘭數學家和宇宙學家馬特·維瑟,1994年在《核物理學B》(核物理學專門致力研究理論上的、現象學的、實驗性的高能物理學、量子場論和統計系統的分支)上發表文章寫道:

最近蟲洞物理學的復興,已經導致了一個非常令人不安的觀察結果。很顯然,雖然這些假想中的穿越時空的隧道迄今仍然只是一種完全的假設,但是蟲洞物理學的『復興』已經是確定無疑的事情了。而令人不安的觀察結果是:『如果這種可以穿越的蟲洞真的存在,那麼將此類蟲洞轉化為時間機器似乎是相當容易的事。』這不僅僅令人不安。這是極其令人不安的。而正是這種令人極其不安的事態,引導霍金髮布了他的時序保護猜想。


霍金,當然指的是劍橋大學物理學家史蒂芬·霍金,他是當代最著名的科學家之一。

霍金之所以聞名於世,雖然有部分原因是幾十年來他一直在與一種殘酷的、導致癱瘓的運動神經元疾病做鬥爭,但更重要的原因在於他在向大眾普及宇宙學中最棘手的問題上的天分。因此,他被時間旅行吸引也就不足為奇了。


「時序保護猜想」是他在1991年為《物理學評論》撰寫的一篇論文的標題。


他在解釋自己寫這篇論文的動機時,說:

有人提出,先進文明可能已經擁有了扭曲時空的技術,從而使封閉式類時間曲線的出現成為可能。而封閉式類時間曲線的出現,使得人們可以開啟回到過去的旅程。


那麼,這一觀點是誰提出來的呢?


當然是一大批科幻小說作家,但是霍金也引用了加州理工學院的物理學家基普·索恩(又是一位惠勒學派的門徒)的研究成果。

譯者註:惠勒指約翰·阿奇博爾德·惠勒,美國著名物理學家、物理學思想家和物理學教育家。在「二戰」期間參與了「曼哈頓」計劃,於1967年的一次會議中提出了「黑洞」一詞,以取代從前的「引力完全坍縮的星球」。此外,「蟲洞」一詞亦由惠勒提出。他被譽為哥本哈根學派最後一位大師。


基普·索恩和他的研究生一直致力「蟲洞和時間機器」的研究。


從某些方面來看,「足夠先進的文明」這個短語已經變成了一種比喻。


比如:即便我們人類無法做到,那麼會不會有一個足夠先進的文明可以做到呢?這一點不僅對科幻作家來說是有用的,對物理學家來說一樣有用。


所以,索恩、邁克·莫裡斯和烏爾維·尤爾特塞韋爾,於1988年在《物理評論快報》上寫道:

「我們開始追問,物理定律是否允許一個肆意的先進文明,構建並維持一個用於星際旅行的蟲洞。」(由此看來,索恩能夠在26年後成為2014年的大製作電影《星際穿越》的執行製片人和科學顧問並非巧合。)「人們可以想像,一個先進的文明將蟲洞從量子泡沫中拉出來。」


他們在1988年的論文中寫道。他們還為論文配了一幅插圖,並為這幅圖做了「將蟲洞轉換成時間機器的時空圖」的說明。


他們設想的蟲洞有動態的開口:太空船可以由一個開口進入蟲洞,而從另一個開口於過去的開口退出蟲洞,從而回到過去。他們不失時機地擺出了一個悖論,並以此作為結論,只是這一次不再是關於能否回到過去殺死祖父的問題了:

一個高度先進的生物是否能夠做到在事件P時測量薛丁格的貓為「活」的狀態(藉此將其「波函數塌陷」到「活」的狀態),然後通過蟲洞在時間上後退,在到達事件P 之前殺死薛丁格的貓(將其波函數塌陷到「死「的狀態上)?


他們提出了這個問題,但又將其棄之一旁,沒有作答。


霍金則在此時跟進而來。他分析了蟲洞物理學,同時也分析了各種悖論(如果你能夠改變歷史帶來的各種各樣的邏輯問題),並通過對自由意志概念進行一些修改,考慮了迴避這些悖論的可能性。


當然,自由意志對一位物理學家來說,就不是一個令人愉快的話題,但霍金看出了一個更好的方法,並建議將這種方法稱為「時序保護猜想」。


此舉需要大量的計算,而在這些計算完成之後,霍金信心十足地得出結論:

物理定律將保護歷史,使其免受那些設想中的時間旅行者的破壞。


儘管庫爾特·哥德爾已經證明了封閉式類時間曲線存在的可能性,但物理學家必須禁止封閉式類時間曲線的出現。

冥冥之中好像存在一個時序保護機構,」霍金用科幻小說般的語氣寫道,「阻止了封閉式類時間曲線的出現,從而使得宇宙對歷史學家來說是安全的。


霍金以這種華麗的辭藻結束了他的論文——這是個小花招,可以保證霍金的稿件被《物理學評論》採納。


然而霍金擁有的不僅是一個理論,他有「真憑實據」——強有力的實驗證據。當然,現實也支持這一推測,那就是我們從來也沒有被成群結隊的未來遊客入侵過。


有些物理學家認為時間旅行是不可能的,但他們同時也認為談論時間旅行是一件很有趣的事,霍金就是他們中的一員。


霍金指出,其實我們都是在時間中旅行的,只不過每次1秒。

    他將黑洞描述為時間機器,以此提醒我們萬有引力減慢了當地時間的流逝。他經常講述他為時間旅行者舉辦聚會的故事:邀請函只有在聚會這一事實發生之後才被發出,其內容是:「我坐在這裡很長時間了,但沒有任何人前來與我聚會。」


事實上,「時序保護猜想」在史蒂芬·霍金為其命名之前很久就已經開始傳播了。


例如,雷·布萊伯利在其1952年出版的一部關於時間旅行的故事中,對此的表述是:「時間不允許一個人與他在不同時間裡的自己會面這類混亂狀態的出現。當此類場景有出現的可能時,時間就會產生畸變,從而避開此類場景的出現。就像是一架撞上了氣阱的飛機。請注意,時間在這裡有了『代辦機構』,這個『代辦機構』會照章辦事。」


對此,道格拉斯·亞當斯提出了自己的看法:「悖論只不過是一種疤痕組織。時間和空間在悖論周圍自我癒合,而人們只記得那些事件的一個版本。對人們來說,這個版本更具人們需要它具有的意義。」


這一切似乎有點神奇,科學家更傾向於信任物理定律。


哥德爾認為,一個強大的、無悖論的宇宙只不過是一個邏輯問題。

「時間旅行是可能的,但沒有人能夠設法做到殺死過去的自己,」他在1972年告訴一名年輕的訪客,「先驗被大大地忽視了。邏輯則是非常強大的。」


從某些方面看,時序保護變成了基本規則的一部分,甚至變成了一個老生常談的話題。麗芙卡·戈臣在她2008年出版《不似之地》中,將所有這些老橋段都看作是理所當然的。


科幻作家也已經找到了類似的解決方案,以解決「祖父悖論」:那些來勢洶洶、想要取祖父性命的孫子們,將不可避免地被一些東西,比如壞掉的手槍、滑溜的香蕉皮以及自己的良心發現,在那些不可能的事情即將成為現實之前,阻止其發生。


有一件事正逐漸變得清晰:這類故事中的每一個人對於時間旅行都知道很多,一個宿命的循環——一個一如既往的悖論——開始從陰影中浮現,一些規則也已經得到解釋:

與流行電影相反,穿越回到過去的旅行並沒有改變未來,或者是未來已經改變,又或者是……事實要比這複雜得多得多。


命運似乎以一種溫柔的方式牽著她。有誰可以逃避命運呢?看看發生在拉伊俄斯身上的事吧。

譯者註:拉伊俄斯,希臘神話中的底比斯國王,他希望打破自己被兒子刺殺的預言,於是將還是嬰兒的俄狄浦斯扔在曠野中任其死去。但是,他的計劃未能阻止這一切的發生。


他能說的僅僅是:「毫無疑問,我們的世界運行遵從的規律,與我們的想像大相逕庭。


文章選自CNKI《飛碟探索》:《霍金和他的時序保護猜想》

作者:詹姆斯·格雷克;高鵬

文中圖片來自網絡

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