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穿越者的噩梦:霍金如何断送了时间旅行的希望?

作者|巫不苦,旅居法兰西攻读物理学专业,爱好历史和经济学。

1993年,霍金出现在当时热播的电视剧《星际迷航》之中,与牛顿、爱因斯坦一起玩扑克。剧中的大塔少校说:“我就是很好奇,想看看历史上三个最伟大的头脑是怎么打牌的。”

电视节目里霍金与牛顿、爱因斯坦坐在一起谈笑风生,现实中,人们同样喜欢把牛顿、爱因斯坦和霍金相提并论,可见世界早已认同了霍金对人类科学和文明的贡献。

每一个时代,都有注定超越时代的人。霍金以他微弱的身躯,伟大的思想,改写了我们的时代。

斯蒂芬·威廉·霍金(Stephen William Hawking),1942年1月8日出生于英国牛津一个知识分子家庭。父母两人同样毕业于牛津,两人在学校相识,后结为伉俪。霍金的父亲是知名的热带病专家,母亲则研读哲学、政治和经济。

霍金先后毕业于牛津大学和剑桥大学,从事宇宙形成、宇宙发展的基本法则等课题研究,在他后来的研究中,霍金以其黑洞理论和宇宙大爆炸理论而知名。他曾和物理学家彭罗斯一起,尝试用理论模型证明,爱因斯坦广义相对论中提到的空间和时间,开始于宇宙大爆炸,结束于宇宙黑洞的形成,即宇宙不是随机的、无规律的发展,而是遵循了一定的法则。这一解释一定程度上统一了广义相对论和量子理论,成为二十世纪人类伟大的科学发展之一。

霍金的主要工作都完成于上世纪六十年末到七十年代初,自二十世纪初黑洞理论创立以来,一直是整个理论物理研究的热门,相关方面的研究如雨后春笋般涌现。霍金的成名作《失控的大尺度结构》就黑洞问题展开了深入的探讨,霍金的理论研究成果对当时黑洞和引力领域的研究有重大的促进作用,其被引用最多的公式“贝—肯斯坦—霍金熵方程”,就是用来证明黑洞的表面积和熵类似,永远要大于黑洞本身和黑洞吞入物体的表面积或者熵之和。

霍金认为他自己一生的贡献是在经典物理学的框架里,证明了黑洞和大爆炸奇点(物理学上把存在又不存在的一个点称为“奇点”)的不可避免性,尝试用理论解释了宇宙的起源。

1988年,霍金出版科普著作《时间简史》,从研究黑洞写起,在书中谈到了宇宙起源和宇宙的终结形式,该书出版后,全球发行量达了1000多万册,虽然该书内容艰深,但依然读者无数,这本书还被许多看不懂的读者戏称为“读不了的畅销书”。

2009年6月,霍金特地为“时间旅行者”举办了ー场派对。他给时间旅行者写了请柬,邀请他们在某个指定时间到剑桥大学内旳某个制定地点参加派对,还专门写下了派对的地理坐标。但请柬在派对结束一年后才发出,也即是说,只有来自“未来”的时间旅行者,才能按照请柬上的日期和做标参加一年前举办的这场派对。这场派对除了霍金,当然没有人参加。于是霍金得出结论,时间旅行不可能。

这样的实验,也许是霍金教授黑色的英式幽默,但这个“小实验”(如果不是joke的话),涉及到的时间和空间旅行,确实诸多物理学家、天文学家、作家探讨的主题之一。

早在霍金诞生之前,人类就开始思考如何才能回到过去,其中早期比较有影响的作品之一,是英国作家乔治威尔斯的《时间机器》。这部作品诞生的时间恰好是牛顿物理学体系所代表的旧时代走向衰落新的物理学体系即将诞生的节点。就在作品发表后的十年,爱因斯坦发表了狭义相对论,为人类开启了新的世界。

从狭义相对论到广义相对论

牛顿和爱因斯坦的理论体系之间,最根本的冲突就是“时空观”。

牛顿认为,时间是智慧生物描述事物变化规律的参数(参数是定量,而非变量),在世界上任何一个地点,时间都是恒定的,时间流逝的速度永远不变。而在爱因斯坦看来,时空却是相对的:只要速度足够快,乃至追的上光速,就可以延缓时间的推进。

1971年,物理学家乔·哈菲尔和理查·基廷通过实验证实了爱因斯坦的理论设想。他们将高度精确的原子钟放在飞机上绕着世界飞行,然后将读到的时间与留在地面上完全一模一样的时钟比较。结果证实:在飞机上的时钟走得比实验室里的慢。

目前跨时最长的“时间旅行者”是俄罗斯宇航员谢尔盖·克里卡列夫(Sergei Krikalev)。他在重力场较小,而相对地面速度较快的宇宙空间站中生活了八百多天,这期间他向未来穿梭了0.02秒。从此,人类知道了,只需要解决启动资金和技术性问题,我们就可以穿梭到未来。

然而狭义相对论只是证明了人类有可能向未来穿梭,还未能从理论上证明人类可以回到过去。十年后,爱因斯坦广义相对论的发表打破了这种限制。爱因斯坦这次不仅没有对时间设置流动方向,他还考虑到速度只是扭曲时间的一种方法,引力则是另一种。

爱因斯坦在1915年提出的广义相对论中指出,如果将地球挤压到现在一半的大小,地球表面的重力场强度将扩大2倍,地球上时间的流逝也会放缓到原来的一半。如果继续挤压下去,当半径小于1公分时,地球将变成“黑洞”,既我们通俗意义上理解的“时空曲率大到光都无法从其事件视界逃脱的天体”。当地球变成“黑洞”,地表上的时间将会停止,这就好比玉皇大帝所住的天宫,被挤压到类似黑洞的程度,那么“天宫”的引力场足就足够大,就可以实现传说中所谓的“天宫一天,地球一年”情况。但黑洞也仅仅能够让时间停驻,依然无法使时光倒流或者回到过去。

因为如果无法超越光速,就不可能实现回到过去的时间旅行。

根据狭义相对论,没有任何物质可以超越光速。但狭义相对论是建立在平直的惯性参考系下的理论体系,而现实中的宇宙,存在大量作用巨大的引力场,空间被极大地扭曲变形,这种情况就复杂得多。

1949年,当爱因斯坦在普林斯顿物理研究院工作时,他的一个同事哥德尔,发现了广义相对论的一个解,这个解允许了“回到过去”的存在。

这一研究成果让爱因斯坦本人也十分意外。这个解是一条“封闭类时空曲线”(Closed Timelike Curve)。所谓“封闭类时曲线”就是说,时间旅行者的运动起点和终点必须是同一点,回到终点的时间也还是出发时的时刻。换句话说,旅行者从地球出发,在星际中环游了一大圈,回到地球发现,自己所处的时间仍然是出发时的时间。封闭类时曲线的提法在广义相对论框架里,对时间旅行提出了无法反驳的一个解,但这个解存在一个前提:宇宙围绕一点对称且不断匀速旋转,不存在膨胀,所有的物质都绕着一个对称轴匀速旋转。

受到哥德尔的启发后,许多科学家纷纷用数学方法求出了,广义相对论的方程组在其他特定条件下的解。虽然所有的物理学家都认同了哥德尔等人的推导,但包括爱因斯坦在内的大多数人始终认为,这些特殊解应该违背了其他的物理定律,现实的情况,要比为了满足这些特殊解所需设置的前提复杂得多。

“虫洞”理论给出的解释

“虫洞”理论,在1988年由加州理工大学的索恩(Kip Stephen Thorne)教授完善。

所谓“虫洞”是指两个尾部相连的黑洞,当然也可能由一个黑洞和一个白洞连接而成(白洞和黑洞相反,其向外喷射物质和能量,是一个只发射不吸收的天体),其形状类似将两个圆锥形的尖端相连接。由于虫洞的两个终端连接着两个不同的时空,旅行者从一个黑洞的入口进入,通过细长的瓶颈相连,再从另一个出口出来,就可以完成回到过去的时空旅行。

在理论上搭建虫洞的数学模型非常简单,但至今没有任何观测数据能够证明虫洞确实存在。即使存在,如何成功且安全地通过虫洞,也是不小的难题。根据广义相对论的推测,宇宙飞船如果要安全通过虫洞,虫洞的直径至少要达到十万千米,才能保证宇宙飞船不受挤压,变成废铁。虫洞中存在着巨大的引力,物理学家们通常认为,除了光之外,很难有其他能量体或物质能够虫洞中毫发无损地穿越。在虫洞里,宇宙飞船很可能瞬间变成一团废铁。

最近西班牙科学家迪斯发现,有可能存在一种“恢复性虫洞”,即物体在从虫洞终端出来时,能够保持原有的状态,但这种虫洞存在的前提条件非常苛刻,现实里存在的概率几乎为零。除此之外,除非拥有负能量来维持虫洞的开启,否则虫洞转瞬即逝。这正验证了霍金对“虫洞时光机”的著名评论:

你永远不可能建造一台时光机,除非你有负能量。

那么人类可以拥有负能量么?在电磁学范畴内(属于量子力学体系),人类已经通过卡米西尔效应(Casimir effect)的相关实验探测到了负能量。但目前人类所能探测到的负能量大小,相比于开启虫洞所需要的能量值,差了几十个数量级,换句话说,通过负能量维持虫洞,理论上可行,现实中很难实现。

霍金对虫洞时光机的质疑还有一点,时间旅行不仅是物理学的问题,同时也存在逻辑悖论。

试想,人类如果可以成功回到过去,也就意味着人类拥有了改变历史的能力,这会引起一系列逻辑的怪圈,正如影视作品《前目的地》中所讲述:一个人通过不断的时间穿越,跟过去的自己相遇,并且通过变性与过去的自己结婚,又生下了婴儿(生下了他自己),但是婴儿被过去的自己绑架了,又被送回过去,变成了自己的母亲,整个故事陷入了莫比乌斯封闭圆环,完全丧失了传统意义上的因果关系。

无独有偶,既然能够穿越回到过去,那么也就可以穿越的未来或者看到未来。尼古拉斯·凯奇曾经出演过一部电影《预见未来》,就讲述了一个主人公拥有超能力,能够看到未来5分钟以内发生的事,其中有一句经典台词,值得我们玩味:

这就是未来,每一次你关注它,它就会改变,因为你关注了未来,又因为此,(未来)的一切都随之改变。

Here's the thing about the future.Every time you look at it,it changes because you looked at it.And that changes everything else.

这样的话,同样正适用于穿越到过去。因为他或她穿越到了过去,关注了过去,所以未来的一切随之改变了。许多有关时间旅行的影视作品中,都提到了时间旅行者(穿越者)不能影响过去人或未来人生活的规则,但既然时间旅行者进行了穿越,和当时的人物发生了联系,其实就已经改变了过去或未来的历史。如果按此推导,这种改变,甚至关乎穿越者是否能够合理诞生或合理存在。

但在索恩看来,至少有两种理由能够解释这一逻辑悖论。首先,存在即合理,时间旅行者并没有改变任何历史,在过去的历史上其实已经出现了时间旅行者,他已经成为了历史的一部分,穿越到过去也就成了一个既有的、注定的行为。就像“鸡生蛋,蛋生鸡”这样的循环中的第一只鸡是由时光机器送到过去的,这就形成了一个合理的闭合循环。

另一个解释是尚未坐实的“平行宇宙”学说,实际上宇宙是以多个平行宇宙的形式存在,时空中发生的不同事件会分散到不同的平行宇宙里去,例如:你抛出一颗骰子,落地时会得到六种可能的点数,在抛出的一瞬间,世界朝向六个方向发展,这六种可能,分散到了六个平行宇宙,而当骰子落地,你观测到了的点数是一点,这只是六个平行世界中的一个,即点数一进入的宇宙坍缩了,被你观察到了,而你无法观测到另外五个点数不为一的宇宙。同样,回到过去的人,无法避免地改变了历史,在这个世界的确有可能会被闯入者改变,与原来预设的发展相背离,但旅行者只能观测到自己所在的一个时空,而无法得知在其他平行的时空中发生了什么,或许在其他的平行世界里,时间旅行者从未到达。

关于时间的问题,无论自然科学,还是神学、哲学,都有过深入探讨。中国历史上的著名哲学家惠施曾有历物十事,讲到了一个“今日适越而昔来”,今天出发去越国,昨天就到了。如果从时空穿越的角度去看,也是古人的一种对时空概念的大胆设想。

而哲学家康德更是把时间和空间看作了一切事物存在的先验形式,没有任何存在,能够脱离时间和空间,当然,康德还留了一个“自在之物”,仿佛上帝之眼。

正如牛顿晚年笃信了神学,对于牛顿、爱因斯坦、霍金一样的物理学家而言,他们关心的不局限于一个人是否能够通过某种技术手段实现物理学上的理论,更是科学所探索的终极问题。对于霍金而言,宇宙的起源问题,其实依然是人类文明,思索千年的时间和空间问题。


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来自:wenxuefeng360  > 天文
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