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虫洞、黑洞和时间机器(上)

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洞、黑洞和时间机器

翻译/杨孝文

大家好,我是斯蒂芬·霍金,是物理学家、宇宙 学家,也是梦想家,尽管身体不能活动,只能通过电脑与大家交流,但我的内心是自由的,自由地探索宇宙并探究那些终极题,比如:时间旅行是否可行?能否打开一个回到过去的通道,或找到通向未来的捷径?我们最终能否利用自然法则掌控时间?


在科学界,时间旅行一度被认为是胡说八道。过去因为担心有人会把胡说八道的标签贴在自己身上,我一直对这个问题避而不谈。但现在,我不再那么谨小慎微了。事实上,我更像是建造了巨石阵的那些人。我对时间痴迷已久,如果有一台时间机器,我会去拜访风华正茂的玛丽莲·梦露,或是造访将望远镜转向宇宙的伽利略。我可能还会前往宇宙的末日看看整个宇宙将如何终结。

为了让这一切从虚幻变成现实,我们应从物理学家的角度来重新审视时间,即第四维。这个问题没有听上去那么晦涩难懂。每个好学的孩子都知道,任何物体都以三维形式存在,包括坐在轮椅上的我。一切物体都有宽度、高度和长度。此外,还有一个维度——时间。一个人能活80岁,但巨石阵的石头却数千年屹立不倒,太阳系的运行更将持续数十亿年。

一切物体都有时间和空间的长度。时间旅行意味着我们要经过第四维。为了让大家更直观地理解这一点,我将用一项日常活动来举例说明,比如开车。我们开车沿直线行驶,是在一维中旅行,向左转或是向右转,则是二维旅行,驱车上下山路意味着又增加了高度,是在三维空间内旅行。

那么,我们怎样才能实现时间旅行?怎样才能发现穿越第四维的通道呢?

让我们暂时从科幻电影中寻找答案吧。在此类电影中,通常会有一台巨大而高能耗的时间机器,这台机器可以穿越在第四维旅行的通道——“时光隧道”。时光旅行者——勇敢但可能有些鲁莽的人,做好我们大家所知道的准备,然后走进时光隧道,来到一个他们想要到达的时间。这一概念可能有些牵强,事实可能与之存在着天壤之别,但该想法本身不是那么的疯狂。

物理学家们也在思考时光隧道,但我们的角度不同。我们想搞清,依照自然法则,联通过去和未来的通道有没有可能存在。事实证明,这是有可能的。而且,我们还给它们起了一个名字:虫洞。其实,虫洞无处不在,只是因为太小,我们肉眼看不到罢了。虫洞非常小,存在于时空的隐蔽处和缝隙里。你或许认为这是难以理解,请耐心听我继续解释吧。

任何物质都不是完全平滑和无缝隙的,如果仔细观察,会发现它们上面都存在小孔和裂缝,这是一个基本的物理原理,同样适用于时间。即便是像台球一样的东西,上面也有裂缝、褶皱或空洞。相信我,这一原理同样适用于第四维。时间也存在许多微小的裂缝、褶皱和空洞。在最小的刻度下——比分子甚至原子都小,我们来到一个称为量子泡沫(quantum foam)的地方,这是虫洞存在之处。

时空中的微小隧道或捷径不停地在这个量子世界中形成、消失和重新形成。它们可以连接两个隔离的空间以及两个不同的时间。不幸的是,现实生活中,这种时光隧道非常狭小,即使发现了它们,我们也不能从这个缝隙穿过——可这正是“虫洞时间机器”概念的前进方向。部分科学家认为,或许可以捕捉到一个虫洞,将它放大数万亿倍,令其足够大,能让人甚至飞船进入。

如果我们拥有足够的能量和先进的技术,将来或许甚至能在太空中建造一个巨型虫洞——我并不是说一定可以做到,但如果真的有这种装置,那么确实很了不起——一端在地球附近,另一端则在遥远的星球附近。从理论上讲,虫洞或时光隧道不仅能把我们带到别的星球。如果洞的两端在同一个地方,且由时间而非距离分离,飞船就能在遥远的过去和将来自由出入。或许恐龙会看到飞船降落的场景。

四维方式思考并不容易,虫洞是一个令你绞尽脑汁才能明白的概念。我一直想做一个简单的实验,揭示人类通过洞的时间旅行是否可行,或是现在,或是未来,我喜欢简单的实验和成功后的香槟酒。所以,我将自己最喜欢的两件事情结合起来,探讨时间旅行是否可行。

让我们设想一下这样的场景,我举办了一个为未来旅行者举办的欢迎宴会。因为希望得到一个惊喜,我没有告诉别人。我写了邀请函,注明了准确的时间和经纬度坐标。我希望它能以这样或那样的形式存在数千年,然后被几千年后的人收到,并未利用虫洞时间机器来参加我的宴会,证明时间旅行将来是可行的。那么,在宴会正在举行的时候,时间旅行贵宾应该随时会降临,五个或一个。但就在我说话的时候,仍没有人到来,真是遗憾。我希望未来的“环球小姐”能踏进这扇门。这项实验为何不奏效?一个原因可能是回到过去的时间旅行所存在的问题——我们称之为悖论,一个众所周知的问题。

探讨悖论是一件很有趣的事情,最著名的悖论通常被称为“祖父悖论”。

我有一个新的简化版本——“疯狂科学家”悖论。我不喜欢一些电影中将科学家刻画得像个疯子,但在这种情况下,确实如此。这个家伙决心建立一个悖论,即便付出生命代价在所不惜。他只要通过虫洞来到一分钟前的的世界就行。如果这位科学家回到一分钟前后,向那个以前的自己开枪,会发生什么事情?他现在已经一命呜呼。那又是谁开的枪呢?这便是一个悖论,听上去毫无意义。但这却是那种让宇宙学家做噩梦的状况。这种时间机器会违反整个宇宙所遵循的基本规则。我认为一切皆有可能。如果真是如此,那么就没有任何办法阻止整个宇宙陷入混乱。所以,我认为有些事情总会发生,以阻止这种悖论,科学家永远不会真是面对悖论。

虫洞本身就是一个问题,我认为像这样的虫不能存在,原因就是“反馈”问题。如果你有到摇滚演唱会现场观看演出的经历,你就会对那种尖利的噪音印象深刻,那就是“反馈”。引起“反馈”的原因很简单,声音进入麦克风,通过电线传播,经由扩音器放大;被放大的声音再次被麦克风传输到音箱里,再一次放大……如此这般不断循环,每次的声音都比上一次更大。如果不阻止,这种“反馈”会破坏音响系统。

虫洞也会遇到这种问题,只不过声音换成了辐射。一旦虫洞变大,大自然的辐射会进入其中,最终形成循环“反馈”,最终摧毁虫洞。虽然微型虫洞确实存在,也有可能在某一天不断膨胀,但持续时间不会太长久,所以不能当做时间机器使用。这是没人能前来参加我的晚宴的真正原因。任何通过虫洞和其他方式回到过去的时间旅行或许都是不可能的,否则,悖论就会出现。

因此,很遗憾,回到过去的时间旅行应该永远不会上演。对于寻找恐龙的人来说,这会令他们大失所望,但对于历史学家而言,他们可以彻底解脱了。

不过故事并未到此结束。这并不意味着使所有的时间旅行不可行。我确实对时间旅行深信不疑,对通向未来的时间旅行更是如此。时间就像河流,我们每一个人仿佛是被时光的流动无情地卷走,时光也像河流一样,在不同的地点,有不同速度,这是通向未来的“钥匙”。


爱因斯坦最早提出了这一概念。他认为,世上应 该存在让时间慢下来的地方,以及让时间加速的地方。他绝对是正确的,证据恰恰就在我们的头顶。这便是全球定位系统,简称GPS

这个网络由31颗绕地球轨道运行的人造卫星组成,这些卫星使卫星导航成为可能,但它们同时也证明了时间在那里过得比地球表面上要快。这些卫星上有非常精密的时钟,但无论有多准,它们每天全都会走三十亿分之一秒,系统必须纠正这个误差,否则这个误差会影响整个系统,会令全球定位系统出现大约6英里(约合9.7公里)的误差。你可以想象由此造成的后果。这个误差正好证明时间在太空的运行速度比在地球上快,是地球的质量造成了这种非同寻常的影响。爱因斯坦发现,物质会减缓时间运行速度,就像是河的下游流速回减慢一样。物体越重,对时间的阻力越大。这种惊人的事实为通向未来的时间旅行开启了大门。

我知道这个概念理解起来并不容易,现在我们来看个简单的例子。

吉萨的大金字塔,它有4000多万吨重,跟所有的重物一样,它其实也在减缓着时间的流逝,虽然效果很不明显,还不及地球的几十亿分之一,但如果把这种影响放大后再看你就会看到它的运作机理。

接近金字塔的地方,时间的流动就比其他地方稍微慢一些,如果金字塔附近的人看外面的世界会怎么样呢?他们肯定会看到相反的情况,因为他们自身变慢了,而远处的时间则相对变快了,这是金字塔的巨大质量带来的影响,这种畸变就为通往未来提供了可能性,要想实现时间旅行的话,我们需要一个质量比金字塔大得多的物体,而我知道有这么个东西。

在银河系中心,距离地球2.6万光年远的地方,有银河系中最重的天体——一个质量相当于400万个太阳的超大质量黑洞,它在自身引力作用下,被压缩为一个点。物体距离这个超大质量黑洞越近,遭遇的引力就越强,连光线都无法逃脱。这样的超大质量黑洞对时间具有显著的影响,时间减缓的速度远远超过银河系中的任何物体。这使得它成为一台“天生的时间机器”。

我常常在想,我们也许可以宇宙飞船围绕它运行的方式来利用黑洞的这一特性,当然,我们首先要避免自己也被吸进去。我认为最好的方法就是飞到它边缘外侧不远的地方,以免被吞没,他们必须精确地设定好航向和速度,否则就再也回不来了,只要处理得当,飞船将会环绕黑洞,沿着一个直径长达4800万公里的圆形轨道运行。

飞船在这里比较安全,它的速度可以保证让自己不会离黑洞越来越近,如果航空航天局从地球或者其他远离黑洞的地方指挥这个任务,他们会看到飞船沿轨道运行一周要用16分钟,但对于飞船上的勇敢者来说,因为距离黑洞很近,时间会因此变慢,这种变慢的效果将会比金字塔或是地球附近显著得多。飞船上的时间流速只有其他地方的一半,本来16分钟轨道一周,但在他们看来只用了8分钟,飞船就这样不断飞行,而船员们所花的时间相比远离黑洞的地方,只有一半而已,这时飞船和它的船员就在穿越时间了。

试想,他们绕着黑洞运行了5年,这就相当于其他地方的10年,他们回到地球时,原来的所有人都会比他们年长五岁,也就是说,飞船上的人将会回到未来的地球,他们的这次旅行不只是穿越了空间,还穿越了时间。

但这种方式可操作性并不强,不过和虫相比更有优势,因为不会产生时间悖论,也不会在“辐射反馈”中自我毁灭,但十分地危险,黑洞距离我们太远,也无法实现大跨度的时间旅行。幸运的是还有其他的方法可以穿越时间,而这也是我们最后一个,也是最可行的建造时间机器的方法。

但有一个极其简单的方法可以实现,你只要以极高的速度运动就可以了。宇宙有一个极限速度,每秒29.9万公里,也就是众所周知的光速,任何东西都不可能超越这个速度。我知道这听起来很奇怪,但相信我,这是科学领域中最确定的法则之一,信不信由你,只要接近光速运动就可以前往未来。

要解释其中的原因,先让我们构想一个科幻小说里的交通运输系统,想象一条围绕地球修建的轨道上面跑着一列超高速列车,我们让这列假想的列车尽可能接近光速,看看这如何能让它成为一台时间机器。不过,无论这列火车的动力有多强劲,它永远也无法到达光速,因为物理学原理令其做不到这一点。假设它已经接近了光速,现在非同寻常的事情发生了。列车上的时间相对于地球开始减缓,就如同靠近超大质量黑洞一样。列车上一切物体的活动都变慢。

那么,如果列车上有一个孩子顺着火车前进的方向奔跑,那么,他的速度是不是就可以超过光速了?答案是否定的。自然规律会令列车上的时间减缓,使得这一幕永远不会发生。这个孩子跑得再快,也不能打破极限速度。

想象一下这样的场景:205011日,一列火车离开车站,绕地球一圈又一圈地运行,最终在2150年新年夜停下来。而旅客们只经历了一个星期的时间,因为车内的时间流速非常缓慢,当他们走下列车时,会发现整个世界已经与自己出发时完全不一样了。他们用一周的时间就来到了100年后的世界。

当然,建造一列能达到这种速度的超高速火车的可能性微乎其微。不过,我们已经在瑞士日内瓦建造了世界最大的粒子加速器——大型强子对撞机。大型强子对撞机位于瑞士和法国交界处地下100米深处的一条总长16英里(约合25.75公里)的环形隧道内,一旦开足马力,这台对撞机能在瞬间将粒子从零加速至每小时6万英里(约合每小时9.7万公里),直至它们能以每秒1.1万圈的速度隧道运行,这时,速度将接近于光速。但是,就像是上面描述的那列火车一样,它们永远无法到达这一终极速度,最快只能达到光速的99.99%。此时,粒子流已经可以开始时间旅行了,我们能确定这一点是因为有一种“π介子”的寿命极短的粒子。正常情况下,它们在250亿分之一秒内就会瓦解,但当它们达到接近光速时其寿命就延长了30倍,这些粒子是真正的时间旅行者。

情况的确就那么简单,如果我们想踏上未来之旅,那么速度必须快。我认为实现这一目标的唯一途径是进入太空。在人类历史上,速度最快的载人飞船“阿波罗10号”,速度为每小时2.5万英里(约合每小时4万公里),但要实现在时间中旅行,我们的速度必须是“阿波罗10号”速度的2000倍。

按照这种思路,我们应该先制造一个巨大的飞船,里面可以装载巨量燃料,令其加速至接近于光速。要让飞船尽可能接近极限速度,即便是开足马力也要用上6年的时间,最初的加速会比较缓慢,因为飞船实在太大太重,但此后它会慢慢提速,短时间内就能飞出很远的距离,一周后,它就会飞抵太阳系的带外行星,比如巨大的气态行星海王星,两年之后,它会加速到光速的一半,而且已经远离太阳系了,再过两年它就能够达到光速的90%,并且经过离我们最近的恒星系统人马座阿尔法星系,大约离地球有48万亿公里,发射4年之后,飞船就开始了时间旅行,飞船上的一个小时就等于地球上的两个小时,环绕巨型黑洞飞行的那艘飞船非常相似,但好戏还在后头,再经过两年的全力加速,飞船将达到它的最高速度,也就是99%的光速,在这个速度下,飞船上的一天时间就等于地球上的一整年,我们的飞船将真正地飞向未来……-

时间变慢还有另外一个好处,那就是在理论上,我们可以在人的寿命范围内进行超长距离的旅行,飞往银河系尽头只需要80年的时间。但此次旅行最重要的地方在于它揭示了我们的宇宙是多么奇特,在宇宙的不同地方,时间流逝的速度都不尽相同。我们所知的最极端的物体巨型黑洞能够让时间和空间发生扭曲,而在这个宇宙中,微型的虫又无处不在,在这里,最终只要我们能开发出适用的技术,我们就可以利用我们对物理法则的理解成为这第四维时空中的时间者。


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