時間旅行真的可能嗎?霍金曾持「謹慎樂觀態度」

2020-12-14 騰訊網

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導讀

霍金遺作《大問小答》中有這麼一句話:「假如有人提出向時間旅行方面的研究捐助一筆研究資金,這個提議轉眼就會被拒絕。」

已逝物理學家霍金對時間旅行持謹慎樂觀態度

這話不假。但他說的另一句話也很有道理:時間旅行可能與否是一個「非常嚴肅的問題」,不過仍然可以通過科學手段來解決。

霍金對此持謹慎樂觀態度,認為我們現有的知識暫時無法排除時間旅行的可能性。所以現在情況到底如何呢?我們暫時還造不出時間機器,但未來有這個可能性嗎?

首先來看看我們的日常體驗。我們已經習慣了隨時隨地聯繫自己分布在全世界的親朋好友,將此視為理所應當。但我們其實永遠也弄不清其中的奧秘。攜帶親友聲音和照片的信號傳播速度快到難以理解,但仍需一定時間才能傳到我們這裡。這就是愛因斯坦時空理論的核心:我們永遠無法真正獲知遠處某人「現在」的狀態。

光速

愛因斯坦告訴我們,時間與空間其實是同一個東西——時空的兩個部分,我們應當將時間距離當成空間距離一樣看待。

雖然聽上去很奇怪,但有人問伯明罕離倫敦有多遠時,我們會很自然地回答「大概兩個半小時」。我們的意思是,如果時速每小時80公裡,這段路大概要花兩個半小時。從數學角度來說,這種說法相當於「伯明罕據倫敦約200公裡」

就像物理學家布萊恩?考克斯和傑夫?福修在《為何E=mc??》一書中指出的那樣,時間和距離「可以以速度為『貨幣』相互交換」。

愛因斯坦大膽地猜測,從時間到距離的「匯率」在時空中處處通用,而這一「匯率」其實就是光速。光速是任何信號能夠達到的最高速度,也因此決定了我們獲知宇宙某處信息的速度上限。這就使我們產生了「因果」的概念,認為必定先有「因」、再有「果」。而對時間旅行者而言, 這無疑是個嚴重的理論障礙。

假設光速在宇宙中處處相等,那麼無論我們自身運動速度多快,測出的光速都必定相同,在真空中始終為每秒299,792,458米。而愛因斯坦意識到,既然光速絕對不變,那麼時空本身就不可能保持不變。

事實上,高速運動的時鐘的運轉速度必定比靜止的時鐘慢得多。同理,你自己的運動速度越快,相對於被你甩在身後的人而言,時間的流逝就慢得多。「相對」一詞正是關鍵:在你看來,時間的流逝一如往常;但對其他靜止不動的人來說,你就像在做慢動作一樣。假如你的速度達到了光速,你在別人眼中就仿佛完全靜止;而從你的角度來看,其他人則都在飛速向前。

那麼,假如我們的運動速度超過光速,時間是否會像科幻小說中一樣倒流呢?

不幸的是,人類需要無窮大的能量才能達到光速,更別提超過光速了。而就算我們能超過光速,時間也不會簡簡單單地倒流。事實上,到了這個時候,「向前」或「向後」已經失去了意義。因果法則將就此被破壞,「因」和「果」也沒有了意義可言。

蟲洞

愛因斯坦還告訴我們,引力是質量扭曲時空的結果。一塊空間中聚集的質量越大,時空被扭曲得就更厲害,附近的時鐘走得就越慢。

愛因斯坦還告訴我們,引力是質量扭曲時空的結果。一塊空間中聚集的質量越大,時空被扭曲得就更厲害,附近的時鐘走得就越慢。而如果我們在一塊空間中塞入的質量足夠大,時空將被極度扭曲,就連光線也無法逃脫它的引力,這就形成了黑洞。假如你能接近黑洞邊緣,即事件視界,你攜帶的時鐘將走得無限慢。

那麼,扭曲時空是否能讓時間倒流呢?

答案是「也許吧」。要達到這一效果,時空需要扭曲成可穿越蟲洞。但我們需要創造出「負能量密度」區域,才能使蟲洞穩定下來。而19世紀的經典物理學已經杜絕了這種可能性。

現代量子力學則不盡然。根據量子力學,看似空無一物的空間其實並不「空」,而是充滿了不時出現、不時消失的粒子對。如果我們能讓一塊區域中的粒子對少於其它區域,也許該區域就擁有了負能量密度。

然而,如何將量子力學與愛因斯坦相對論結合起來,至今仍是理論物理界最大的挑戰之一。

有一種名叫「弦理論」(更準確的叫法是M理論)的理論或許能提供另一種可能性。該理論認為,時空共有11個維度:時間算1維,我們生活的空間有3維,除此之外還有7維。我們能否用這些多餘的空間維度、在時空中抄一條近道呢?至少,霍金對此持積極態度。

拯救歷史

霍金遺作《大問小答》中有這麼一句話:「假如有人提出向時間旅行方面的研究捐助一筆研究資金,這個提議轉眼就會被拒絕。」這話不假。但他說的另一句話也很有道理:時間旅行可能與否是一個「非常嚴肅的問題」,不過仍然可以通過科學手段來解決。

那麼,時間旅行究竟有可能實現嗎?我們現有的知識無法排除這種可能性,但答案很可能是「不可能」。

愛因斯坦的理論無法在極小尺度上描述時空的結構。此外,雖然自然法則常常與我們的日常體驗相去甚遠,但往往都能夠自洽,因此科幻小說中擾亂因果順序造成的悖論也許並不會出現。雖然霍金對此持積極態度,但他也承認,受某些尚未發現的物理法則的影響,像你我這樣的大型物體也許永遠也不可能穿梭時空。我們將這一觀點稱作霍金的「時序保護猜想」。

無論未來我們能否造出時間機器,有一點是可以肯定的:當我們爬山或開車時,都或多或少改變了時間流逝的速度。所以你其實已經在穿梭時空了,只不過方法和你希望的不太一樣而已。(葉子)

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