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科学探索时空旅行 真能改变历史?

2015-10-30

文/蝌蚪五线谱

近年来,时空穿越剧越来越多了,比如最近流行的《星际穿越》就吸引了很多人的眼球。此电影可以说是2014年度最杰出的科幻大片,各大科普网站与娱乐网站纷纷报道。其实,对于1980年后出生的人,其中有很多也喜欢看时空穿越剧,如系列电影《终结者》、《大话西游》,还有周杰伦主演的电影《不能说的秘密》,从内容和情节上看,这些电影等艺术作品讲的都是穿越时空的故事,其实穿越时空的本质属于广义相对论。那么,我们在何种条件下才有可能像穿越剧中的人物那样穿越时空改变历史呢?
时空穿越剧《星际穿越》海报
在什么样的宇宙中可以自发地回到过去?
  人类能不能回到过去?这是一个非常有趣的问题。首先回到过去这件事情是发生在时空之中的,我们需要对时空的结构有所了解。时空从字面意思上来说就是时间与空间的结合体。中国古代有“宇宙”的说法,其中的“宇”就是空间,“宙”就是时间。所以,宇宙就是时空。因为时空本身像房子一样,是有结构的,可能存在楼梯,或者烟囱等复杂结构。因此,总的来说,想回到过去,就相当于要在时空中存在闭合类时曲线(所谓“类时”,就是物体在每一个时空点的运动速度不超过光速),闭合类时曲线就好像是一条咬着自己尾巴的蛇,时间在过去与未来组成一个封闭的圈,所以分不清楚过去还是未来。以下是一些基于相对论的说法:这在一些奇怪的宇宙时空,比如哥德尔时空中,回到过去在理论上是非常可能的。哥德尔时空是一个真空,但它是旋转的,因为在那里,高速的旋转在时空中产生旋涡,这些时空漩涡能引起闭合类时曲线的存在——这就好像抽水马桶在冲水的时候会产生旋涡一样,时空漩涡会导致封闭的类时曲线存在。
时空漩涡
  哥德尔是爱因斯坦到美国普林斯顿高等研究院以后的同事(爱因斯坦以前在德国生活,后来,希特勒迫害犹太人,爱因斯坦是犹太人,对希特勒很不满,于是来到了美国),哥德尔是一个数理逻辑方面的专家,以他名字命名的不完备性定理可以说,给了所有试图追求大统一理论的人以致命一击:所有理论体系都不是自我完备的——总存在“先有鸡还是先有蛋”这样的难题是无法破解的。在数学中,比如像“连续统假设”这样的猜想,最后也被证明是既不可证伪也不能证实,逻辑系统的集合会被逻辑本身刺破。这样的例子还有很多,比如广义相对论的爱因斯坦引力方程最后会在时空中产生奇性,而这个奇性的地方,广义相对论本身就破产了(关于黑洞的奇性可以参考本文作者在蝌蚪五线谱网站上发表的以下5篇关于《星际穿越》的科普文章)。
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  哥德尔是一个不折不扣的天才,爱因斯坦给他讲了半天相对论,他就学会了相对论的基本原理与思想方法,过了几个月,他自己找到了爱因斯坦引力场方程的解,这个解被称为哥德尔时空。在这个时空的一些区域,特定的人站在地上不动,就能回到自己的过去,这是很神奇的。在这个时空的一些区域,某人站在地上不动,但因为时间永远流逝,所以他沿着时间旅行就能回到自己的过去——因为这个人的质量不等于零,所以他在空间中的速度小于光的速度,因此,其世界线会构成一个闭合类时曲线。对于这一点,熟悉相对论的人可以与爱因斯坦转盘模型进行类比,在爱因斯坦转盘里,转盘边缘上的那群观察者们觉得的“空间”也不是封闭的一个圆,而是一个开放的曲线——在转动的情景下,空间与时间一样都颇为玄妙。哥德尔的发现需要比较高的数学技巧,从物理上来说,则非常简单,就是存在可以回到自己过去的观察者。
爱因斯坦与哥德尔
在我们这个宇宙中,如何才能回到过去?
  在一般的时空中,比如我们的宇宙(被称作弗里德曼、罗伯逊、瓦尔克宇宙模型,即F-RW时空)并不像哥德尔时空那样旋转——我们的宇宙空间没有漩涡,是平坦的(这是一个重要的结论,来自于对宇宙微波背景辐射的分析,空间平坦性被认为是来自于宇宙极早期的暴涨)。因此,一般认为,我们的现实宇宙中很难出现大的漩涡结构,因此从宇宙的角度来说,可能不存在类似于哥德尔那样的回到过去的解。但是,别忘了我们宇宙内部还有很多黑洞,而黑洞是可以旋转的,这叫做克尔黑洞(但我们现在只讨论整体宇宙)。在广义相对论中,奇点的出现使物理在那里失调。爱因斯坦场方程的解比如史瓦兹齐德解具有球对称性,F-RW解则是均匀及各向同性的。这个可以解释我们宇宙目前的真实状态,因此,F-RW时空就是真实的宇宙。我们的宇宙空间没有旋转,所以假设我们要回到过去,则相当于要求在宇宙这个四维时空的某一个区域要有虫洞。
  虫洞的存在需要负能量密度的支撑(见本文末的视频链接),而我们宇宙中的物质基本全是正能量的,因此打开一个时空隧道,很难在技术上实现。因为在我们人类能够产生的物质与能量状态中,物质一般具有正能量,负能量物质非常渺小,而且是不稳定的——两块相距1米的金属板之间的卡施米尔效应,它所产生的负能量的密度相当于在每十亿亿立方米的体积内才有一个(负质量的) 基本粒子!而且间距越大,负能量的密度就越小。因此,在任何宏观尺度上由量子效应产生的负能量都是微乎其微的。

负能量物质在我们这个世界里就好像在湖水里,不借助其他的隔离物挖出一个大坑,这个大坑不能被水充满。当然,因为在理论上,宇宙中还是有负能量物质的,因此,虽然很困难,但也不是完全不可能制造出虫洞。这依赖于未来人类的技术能力了,毕竟我们不排除未来会出现《星际穿越》中的墨菲那样优秀的科学家,可以克服这个技术难点。
  其实,虫洞这方面的研究可以追溯到1985年,美国康乃尔大学的著名行星天文学家卡尔·萨根写了一部科幻小说,里面讲到时间旅行,此小说叫做《接触》。萨根去请教研究广义相对论的专家——加州理工学院的索恩教授,问时间旅行到底是可能还是不可能。当时,萨根版本的时间旅行是通过黑洞内部去进行的,但索恩看了以后,觉得黑洞内部引力太强,会把人撕碎,因此建议改成虫洞。虫洞比较温和,之后在1988年,索恩带着两个博士生真的在爱因斯坦方程中找到了虫洞解,文章发表在《物理评论快报》上,这是比较严肃的科学论文。
  索恩是美国相对论之父——惠勒的学生,通过计算,他很快告诉萨根,虫洞可以用来作时空旅行的工具。索恩的师弟米斯纳与惠勒是虫洞概念的始作俑者,在他们的模型里,虫洞在极短的时间内产生,然后消失,因为其寿命极短,无法成为星际旅行的通道。在萨根的小说发表之后,索恩对虫洞产生了浓厚的兴趣,他和他的学生莫里斯开始对虫洞做深入的研究。与米斯纳和惠勒不同的是,索恩研究了可以作为星际旅行通道的那种很大的长寿命的虫洞,这种虫洞被称为可穿越虫洞。关于这部分,可以参考清华大学出版社出版的书《广义相对论讲义——从奇点到虫洞》,以及另外一本名为《日出:量子力学与相对论》的书。
  另外一种穿越时空到未来的办法是通过所谓的双胞胎悖论效应,一个人只要坐极高速的火箭离开地球,然后再回来,他会比在地球上的人要年轻,这在某种意义上相当于他能活得更长久,也就是穿越时空了。这个情况是非常普遍的,在微观粒子实验中,物理学家早已经验证了这个现象,对于这一点,最简单的证明办法是利用相似三角形来证明狭义相对论的时间膨胀公式——对此感兴趣的读者可以参阅文末的内容链接。
回到过去就能改变历史吗?
  从目前来看,假设我们身边存在这种从未来穿越过来的未来人,那么很明显,其智商水平与知识水平应该远在我们这些普通人之上。但这是不可观测的,原因可能在于,穿越过来的人似乎自己也已经忘记了自己是穿越者了。这是一个很可怕的结论,也就是说,我们的环境对穿越者是一个染缸,能将之平庸化。
如果发生时空穿越,我们就有可能看到霍金与爱因斯坦在一起
  当然,从目前的报道来说,我们这个时空中的大部分人都有明确的出生记录,他们是来自母亲的阴道分娩或者剖腹产,而那些没有出生记录的人,是不是来自虫洞,从直观上来说也是匪夷所思的。但是,假设真有一个穿越者来自于未来,并具有超能力,那么他可以改变历史吗?因为历史本身就是这个穿越者与普通大众一起创造的,所以我们无法考察他是不是真的改变了历史。《星际穿越》中的库伯穿越了虫洞,但他无法改变历史,未来是由他的女儿来创造的。也就是说“历史不可以被改变,未来可以被创造”!
时空穿越剧《星际穿越》海报
  其实,这个思想早在2000年就已经被黄易清晰的提出来了,《寻秦记》里的项少龙能回到过去,但他无法改变历史,只是创造了历史。也就是说,历史已经发生,他只不过参与了这个过程,并且最后与历史书上的记录保持一致。
  那么,为什么穿越者无法改变历史?这是为了防止引起时空悖论,其中的“弑母悖论”是最重要的一个悖论,如果一个穿越者能回到过去,杀死自己少女时代的母亲,当时他母亲还没有怀孕,那请问他是怎么出生的?他不是孙悟空,一定来自子宫,不可能是从石头里迸出来的,因为这会引起矛盾。所以“穿越者不能改变历史”是有科学道理的,这背后就是著名相对论专家霍金提出的“时序保护猜想”。该猜想从量子力学的角度出发,通过一系列论证,最后明确禁止时空穿越者去改变已经发生过的历史事件,从而避免出现宇宙分叉。
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