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霍金告诉你为什么时间旅行是不可行的?

2016.10.02

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时间旅行曾被认为是科学界的异端邪说,如果有台时间机器,你可以拜访玛丽莲梦露,在她当红的时期;拜访伽利略,当他把望远镜指向宇宙,可能你还会到宇宙尽头,解开我们宇宙的全貌。要验证我们的想法是否可行,我们就要以物理学家的眼光去研究时间,也就是四维时空。四维时空并不难理解,所有的物理性质,包括你的身体都是三维的,任何地球物体都有长、宽、高,但另外有一种度量单位——时间的单位。


正常的人可以活到80岁,但一堆石头可以活更长时间,可能是数千年,而太阳系则是数十亿年,所有东西都在时间上有长度,空间也一样,在时间上旅行意味着要穿越四维时空,拿日常的开车来理解这句话的意思,高速行车带来更多乐趣,直走意味着穿过其中一维的时间,转弯意味着穿越第二维,在弯曲的山路上爬上爬下带来的高度变化,那样就在三维中穿梭了。



但我们怎样穿越时间呢?怎样找到第四维呢?先换一个话题看一个科幻的假想。

时间的旅行需要造出巨大的时间机器,机器生成穿越第四维的通道——一条时间隧道,一个时间旅行者需要是一个勇敢而坚强的人,迈入时间隧道的旅行者感觉到一阵头昏眼花,构想上如此,真实情况可能大不相同,但这种想法本身并不疯狂。物理学家也在思考着时间,我们想知道通往过去和未来的入口是否在自然法则下存在,如果真的存在会是怎样的,我们将之命名为“虫洞”。


事实上虫洞遍布在我们身边,只是他们细小得看不到,它们存在于时空的每个角落,我们身边没有东西是觉得平的,如果靠得足够近,你就能发现小洞和裂痕,这是基本的物理法则,它同样适用于时间,在三维世界就容易说明这一点,在四维世界同样是正确的,时间中存在细小的裂痕、褶皱、瑕疵,在非常小的尺度,甚至比分子还小,比原子还少,我们把那一区域叫做量子泡沫(Quantum Foam),那是时间的基本存在——微型的时空隧道和捷径,在那个量子的世界里面不断地形成——消失——再形成,连接两个独立地点和不同时间。


很不幸这种时空隧道只有10的-33次方厘米的大小(普朗克长度),不足以令人类通行。不过引出了虫洞型的时间机器的概念,有些科学家认为有可能抓住其中一个将之扩大数亿亿亿倍,使其足以通过一个人甚至一艘太空船,给以足够的动力和超前的科技或许可以在宇宙中制造出大虫洞,这不保证可行,只是在理论上有可能做出来。一端在地球不远的地方,一端在宇宙深处。如果虫洞的两个开口在相同的地点不同的时间,飞船可以越到地球形成之前的世界——一个遥远的过去,或许恐龙可以目睹飞船的降落。



现在人们觉得四维时空的概念很难理解,虫洞的概念更令人摸不着头脑,但换言之,有种简单的验证人类是否可以通过虫洞穿越时间,或者在遥远的未来。我安排了一个派对来欢迎来自未来的时间旅行者,在此之前没有告诉任何人,将时间和地点印下来数份,保证其可以流传至数千年以后,可能在未来的某天有人可以看到这份请柬,用虫洞的时间机器来参加派对,证明时间旅行可以在未来实现。


但目前看来这似乎不可行,因为其中一个原因是众所周知的穿越过去的谬论问题,谬论十分有趣:回到过去,在父母生你之前把他们杀了,因此你不能出生,这是十分有名的祖父谬论。有一个更简单的版本,可以称之为疯狂科学家谬论,尽管代价可能是自己的生命:想象一下用某种手段造出了一个虫洞,时间隧道返回一分钟前的世界,听起来好像没多大问题,而实际上一分钟的穿越肯能捅出很大娄子,通过虫洞,科学家向一分钟前正在组装枪支的自己开枪,那个自己应声倒地,那么,究竟是谁杀了自己?


这种情况是科学家的噩梦,时间机器会改变宇宙的基本法则,结果早于原因发生,影响原因的发生。


我相信事物不能否定自己的存在,如果可以的话,宇宙重回混沌是没人能阻止的。所以我想有东西总是阻止谬论的发生,总是有某一原因使得我们的科学家没有射死自己的机会。在这个例子中,虫洞就是问题所在,可以肯定地说,这种类型的虫洞是不可能存在的,原因就在于反馈。


 


如果你曾经去听过摇滚,你会认得那震耳欲聋的声音,那是反馈,成因很简单:声音进入麦克风,通过电线的传导,通过扩音机放大,再从音箱放出来。但放出来的声音会再次通过麦克风,一次又一次地循环,每一次都变得更大声,没有人叫停,反馈将会令那个系统崩溃。与此相同的事情将发生在虫洞中,只是辐射取代了声音的位置,当虫洞打开的瞬间,自然界的辐射会进入其中并形成回路,反馈会变得足够强大使虫洞毁灭。

 

虽然微型虫洞当真存在,也可能某天可以将之放大,也没能持续足够长时间而变成时间机器,那就是没人来参加派对的原因。事实上我相信任何的手段(包括虫洞)可以穿越时空回到过去,可能并不成立,否则就会产生谬论,很可惜穿越时间回到过去永远不会发生。令想回到过去看恐龙的人失望,但故事远未结束,时间旅行并不是不可能,要相信时间旅行,通往未来的航行。



时间像河流一样流动,我们就像是被时间流冲向下流一样,但时间在另外的方面也很像河流,在不同的地方有不同的速度,而这也是到未来旅行的关键。这个概念源自100年前的爱因斯坦,他意识到可能有的地方能使时间慢下来,另一些地方的时间会加快,他绝对是正确的,而证据就在我们头顶上——外层空间。

 

全球定位系统GPS——由绕地球运行的31个人造卫星组成的系统,这些卫星用于卫星导航,但它们同时证明了这里的世间比地球表面快。在每个航天器上都有一个特别精密的钟,无独有偶,它们全部每天都走快十亿分之三秒,系统必须纠正这个误差,否则这个误差将导致定位系统每天产生6英里的偏差,你可能想象一下后果。

 

问题并不在于钟,钟走快只能说明这里的时间走得比在地面快。产生这种现象的原因在于地球质量。爱因斯坦意识到质量会影响时间,就像河流流得慢的部分,越重的物体周围时间流逝得越慢,这一点和时间旅行有着重大关系。这是个很难明白的概念,所以来看个简单例子:

 

吉萨金字塔,它有40000000吨重,就像所有重的物体一样,它实际上在减慢时间的流逝,比起地球其它地方,它的作用小于十亿分之一秒,但的确在发生作用。接近金字塔的物体时间就会变慢,就像被隔断的河流,相对于较远的地方来说,在这里时间自身的流动会变慢。那金字塔附近的人看外围的世界是怎样的呢?他们肯定会看到相反的情况,因为他们自身变慢了,而看远处的时间流动则变快了,这理所当然是受到金字塔的影响,这就打开了通往未来之门。

 

实际我们用来进行时空穿梭的物体的质量要比金字塔大得多,在人马座中心,离我们1600光年外,就像银河系的其它地方一样,有着大量的气体和恒星。一个超级黑洞拥有4百万个太阳的质量,由于自身的重力压缩成一点,你越是接近黑洞,重力越强,离得足够近,甚至连光也逃不掉,以至于形成一个直径5千万英里的黑球体,这样的黑洞对时间有着意想不到的效果,作用远远强于宇宙中的任何其它东西,这就是一个自然产生的时间机器。我乐于想象有一天一艘飞船可以得以接近这个特别的地方,但最起码要避免被吸进去,其中的技巧在于交界处的调整,而刚好不被吸进去,它必须有精确的航向和速度,否则就出不来了,做得好,飞船就能绕其运行,其轨道是长达3千万英里的圆周。飞船的速度可以保证自身停止下坠,如果有人可以从地球上或者其它远离黑洞的地方加以指挥,他们设定在其轨道运行一周要用16分钟,但对于飞船上的勇者来说,接近这样质量的物体,时间将会慢下来,其效果比接近金字塔或者小行星旁边更黄更暴力,时间的流动会减慢一半,16分钟一周的轨道他们感觉只用了8分钟。每转一周,比起远离黑洞的人,他们只感受到一半的时间,飞船和它的船员们就会穿越时间。试想一下他们飞行了5年,我们就会度过10年,当他们回到地球,其它人都会比他们多经历5年,飞船及其船员将回到未来的地球。他们的旅行经过的不单是空间,而且包括时间。


 

超大质量的黑洞是一台时间机器,但事实上并不容易操作。比起虫洞,它有着不产生谬论的优势,也不会因为反馈而崩溃,但真的十分危险,短时间内还不可能实现。幸运的是还有其它方法可以穿越时间,而这是我们最后可行的方法——制造一台时间机器。

穿越第四维空间并不能单独进行,但有一个神奇的方法可以实现,你需要以很快的速度行进,比围绕超大质量黑洞运行的速度还要快很多,这是因为宇宙的另一个古怪的定律——有恒定的宇宙极限速度,186000英里每秒,也就是众所周知的光速,没有东西可以超过这个速度,你知道这听上去难以置信,但请相信我,这是宇宙的一个基本法则。
 

无论如何,用接近光的速度就可以去到未来,用以解释这个问题,让我们用一个科学的假想的运输系统例子:试想一下有一条围绕地球的轨道,我们将会用这条假想的轨道达到近似光速,看看这如何成为一台时间机器,在上面的旅客将得到一张通往未来的单程票。


列车越开越快,很快就围绕地球一圈又一圈,接近光速意味着极高速地绕地球运行,每秒跑7圈。但无论列车动力如何强劲,绝对不会超过光速,因为物理法律不允许,只能无线接近极限速度,而非常奇特的事情开始发生,相比地球的其它地方,列车上时间流动的速度非常慢,就像在黑洞的附近,但不仅如此,列车上所有物体的运动都会变慢,这样就可以限制列车上的物体的速度。不难解释个中道理,试想一个孩子在列车上向前进的方向奔跑,他奔跑的速度加列车的速度,他就可以意外地突破速度上限吗?答案是否定的,自然法则将时间减慢以避免可能性的发生,所以他不能跑得快过极限速度,时间总是会变慢使得极限速度不会被突破。利用这个特性,我们可以通往遥远的未来,假设列车在2050年1月1日出发,绕地球走了100年,而在2150年的新年靠站,而旅客们只是过了一星期,因为车内的时间流动足够慢,当他们走下车时会发现一个完全不一样的世界,他们用一周的时间就来到一百年后的世界。


显然建造一辆如此速度的列车是不可能的,但我们还可以造跟这列车相像的东西——位于瑞士日内瓦的世界上最大的粒子加速器,在地下深处有长达16英里的环形管道,上万亿个微小粒子组成的粒子流,当电源打开,在不到一秒内粒子流从零速加速到时速60000英里,增大能量,粒子流变得越来越快,最终每秒绕管道11000圈,接近光速。就像列车一样,它们不会到达极限速度,只能达到99.99%的光速,这样的情况下,粒子流也会穿越时间。我们得知这点因为一种寿命超短的物质“π介子”,正常情况下,它们只能存在二百五十亿分之一秒,当它们达到近似光速,它们的寿命延长了30倍,这些粒子真正意义上穿越了时间。


 


就是这么简单,我们想要去往未来,只需要跑快点就可以了,非常快!我想唯一可能实现的方法就是到宇宙空间去,人类历史上最快的运输工具是阿波罗10号,它可以达到25000英里每小时的速度,但要时间旅行,我们还要2000倍以上的速度,为了实现,我们需要一艘更大的船,一台真正的超大型机器,飞船要足够大,容纳足够多的燃料,足够加速到近乎光速,要使飞船达到极限速度,需要整整6年来加速。


加速开始的一周后,它会飞近太阳系边缘的行星,如气态的海王星,两年时间会加速到光速的一半,而且会远离我们的太阳系,再两年后它就会达到光速的90%,而接近离我们最近的恒星系统人马座α星系,大约离地球30万亿英里,发射4年之后,飞船开始了时间旅行,飞船上的1小时等于地球上的两小时。


和环绕大质量黑洞飞行的实验相近的情形,后戏在后头,再经过2年的加速飞行,飞船将达到最高速度——99%的光速,在这个速度下,飞船上的一天等于地球上的一整年,飞船真正地飞向未来。变慢的时间还有一个好处,就是在人类的寿命里可以进行很长距离的旅行,去到银河系尽头只需要80年。


而我们最该探索的是我们宇宙的真谛,在我们的宇宙时间以不同的速度在不同的地方流逝,存在超级黑洞交织时空,我们被微型的虫洞包围,最终我们将用我们掌握的物理知识,发展出合理的技术,成为真正的四维时空穿梭者。



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