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哈利波特有魔法,我们有科学

“如果一个人申请经费去研究时间旅行,他立刻就被解雇了。” 霍金在他最后一本著作《对大问题的简明回答》(Brief Answers to the Big Questions)中写道。霍金对现实的看法无疑是对的,然而,他对这一问题的追寻也是对的——时间旅行是否不仅仅存在于魔法世界中,而是一个可以通过科学的路径逐渐接近的严肃问题。


霍金认为,我们目前对于时间本质的理解并不能排除时间旅行的可能性,他对此抱着谨慎的乐观态度。所以,虽然我们现在还不能建造一个时间机器,但是在未来呢?


在日常生活中,我们理所当然的给家人和朋友打电话,随时随地跟他们闲聊此刻正在发生的事情,无论他们处于天涯还是海角。然而事实上,我们永远无法知道他们的“此刻”,通讯信号携带着声音和图像以不可思议的速度传播,但是要抵达我们,仍然需要有限的时间。


无法抵达另一个人的“此刻”,是爱因斯坦时空理论的核心。


光速是绝对的,然后时空呢?


爱因斯坦告诉我们,时间空间都是时空的一部分,我们应该像思考空间的距离一样,来思考时间的距离。这听起来似乎有些奇怪,当有人问我们北京离上海有多远,我们会回答说“坐高铁大约5小时”,也就是说,高铁需要大约5个小时的时间才能走完这段距离。



正如物理学家Brian Cox和Jeff Forshaw在他们的书《为什么E = mc²?》中写道的那样,时间和空间可以通过光速互相转换。爱因斯坦的智慧的飞跃是,假定从时间到空间的转换率在宇宙中是普遍的,而这个速度就是光速。


光速是任何信号可以达到的最快传播速度,为我们能够多快地知道宇宙中其它地方正在发生什么设定了一个基本限制,也产生了我们感知到的因果关系——结果总是发生在原因之后,先有因,后有果。对于时间旅行来说,这是一个严重的理论阻碍。因为如果一个人能够穿越时间回到过去,他就可以让一些事件发生,例如阻止自己的出生,而这就将果(这个人的存在)置于因(这个人的出生)之前。


如果光速在整个宇宙中是相同的,那么我们测量到的光速必然是相同的——真空中为299792458米每秒——无论我们自身在以多快的速度行进。爱因斯坦意识到,如果(联系时间和空间的)光的速度是绝对的,那么时间和空间本身将不可能是绝对的。事实证明,运动的时钟必然比静止的时钟走的更慢。


你移动的速度越快,那么相对于经过的那些时钟,你手中的时钟将走得更慢。“相对”是问题的关键:对你而言,时间似乎仍然一如往常地流逝;然而对于静止的其他人,你都将处于慢动作状态。如果你是以光速移动,那么你将仿佛冻结在时间里——而在你眼中,其他人都处于快进模式。



如果我们超过光速移动会怎么样呢?会像科幻小说中所说的那样,时间将会倒流吗?


不幸的是,需要无限大的能量,才能将人类加速到光速,更不要说超越光速了。然而,即便我们可以超越光速,时间也不会简单地倒流,而是无论谈论时间是向前还是向后流淌,都将变得毫无意义。因果律被违反,因和果的概念也将失去意义。


虫洞


爱因斯坦还告诉我们,质量扭曲时间和空间的方式导致了引力。向一个区域内塞入的质量越多,时空弯曲的越严重,附近的时钟走的更慢。如果塞入足够的质量,时空将变得如此弯曲,以至于光也无法逃离它的引力拉拽,于是,一个黑洞就形成了。如果靠近黑洞的边缘——黑洞的视界,那么相对于无限远处的时钟,黑洞附近的时钟将会走的无限缓慢。



所以,我们能够以恰好正确的方式让时空弯曲,以至于让时空逆转回自身,逆着时间行进吗?


答案是,也许可以,我们需要的弯曲是一个可以通行的虫洞。但是,我们也需要产生一处具有负能量密度的区域让虫洞稳定存在,19世纪的经典物理学阻止这一点的实现,而现代的量子力学或许不会。



根据量子力学,真空不空,相反,真空中充满了不断产生和湮灭的粒子对。如果我们可以让一个区域比其他地方有较少的粒子对产生和湮灭,这个区域将具有负的能量密度。


然而,找到一个结合量子力学与爱因斯坦的引力理论的一致理论仍然是理论物理学中最大的挑战之一。弦理论——或者更准确地说是M理论,或许会提供另一种可能性。


M理论要求时空有11个维度:我们生存于其中的一个时间维和三个空间维,还有其他七个维度,蜷缩到小的难以看见的程度。我们能够利用剩余的维度作为时间和空间的捷径吗?至少霍金是抱有希望的。



所以时间旅行真的有可能吗?我们目前的理解不能排除这种可能性,但答案或许是否定的。


爱因斯坦的理论无法在非常小的尺度上描述时空的结构。尽管自然法则常常与我们的日常经验完全冲突,这些理论却总是自洽的——只为在时间旅行中混淆因果这样大量存在的悖论留下很小的空间。


尽管霍金对时间旅行有着玩笑般的乐观态度,他也承认,未被发现的物理定律终有一天会取代爱因斯坦的理论,这些新的理论或许会阻止像你我这样的大型物体顺着(或是逆着)因果定律在时间中来回跳转。这被称之为“时序保护猜想”(chronology protection conjecture)


无论未来的商店内是否有时间机器,我们仍然可以以这些知识聊以自慰——当我们攀登高山或者在汽车内飞速前行时,我们改变了时间流淌的速度。


所以,我们并非在假装自己是一个时间旅行者,我们事实上已经在时间中旅行,只是并非如希望的那样而已。

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来自:YspBweGtb  > 科学
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