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时间旅行的真实和悖论(2)

2014-12-04 09:49 作者:曹玲来源:三联生活周刊 2014年第49期
关于时间旅行的作品永远有市场,不管是好莱坞科幻片还是亚洲穿越剧,无一不红得发紫。物理学家认真思考了时间旅行的可能性,去往未来是可能的,回到过去还在争议中。

时间旅行的物理学基础

1935年,爱因斯坦和学生内森·罗森(Nathan Rosen)把虫洞理论引入物理世界,发现在黑洞的中心有一个“喉咙”,将时间-空间连接到另一个宇宙,这种连接两个宇宙的桥梁被称为“爱因斯坦-罗森桥”,也就是后来所称的虫洞。起初并没有“虫洞”这个术语,直到后来美国科学家约翰·惠勒把它比喻成苹果上虫咬出的洞。通过虫洞从苹果的一边到另一边,比绕过苹果表面近多了。穿过不旋转的黑洞将是毁灭性的,但是旋转的黑洞有一个环状的奇异性,这样就有可能通过“爱因斯坦-罗森桥”穿过这个环。这样一来,爱因斯坦的理论就提供了时间旅行的可能性。

1937年,荷兰数学家威廉·范斯托克姆(Willem Jacob van Stockum)发现了爱因斯坦方程的一个解,指出有一个快速旋转而又无限长的柱体重力场。这样一个场将会违反因果律,它允许出现连接两个时空的“闭合类时曲线”。

电影《星际穿越》剧照

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何谓“闭合类时曲线”?爱因斯坦的广义相对论已表明,时空会受到类似行星等巨大运动物质的重力拖曳而改变方向。由此可见,时间的方向也会因运动物质的拖曳而改变,变得弯曲,弯曲到一定程度,便可首尾相接,形成闭合曲线。如果这样的闭合曲线存在,人们乘坐飞船沿着这种曲线进行正向时间旅行时,不仅可以访问未来,还可返回过去。

范斯托克姆从一个无限的旋转的圆柱体开始,尽管构造一个无限的物体实际上是不可能的,计算出如果这个圆柱体以接近光速旋转,就会带动时空结构和它一起转动,很像搅拌机的叶片带动蜜糖旋转一样。

任何勇敢地围绕圆柱体旅行的人都会被带动,得到巨大的速度。事实上,从远处的观察者看,这个人的速度好像超过了光速。尽管范斯托克姆本人那时候没有认识到,围绕圆柱体旅行一圈实际上是时间上倒退到你出发的时间之前。如果你是中午出发的,那么,你回到出发点的时间可能是昨天下午18点。圆柱体旋转得越快,在时间上就倒退得越多,唯一的限制是时间不能倒退到制造圆柱体之前。每次你围绕柱子跑一圈,时间就倒退得越多。事实上,不存在无限长的圆柱体,所以可以排除这个解。另一个角度说,如果这样的圆柱体能够被制造出来,由于它以接近光速旋转,圆柱体的离心力非常大,构成圆柱体的材料将飞散。

1949年,库尔特·哥德尔(Kurt Godel)发现了一个更奇怪的爱因斯坦方程的解。哥德尔是20世纪最伟大的数学家之一,是自亚里士多德以来最重要的逻辑学家。当时哥德尔和爱因斯坦是好朋友,两人有相似的文化背景,都对哲学有强烈兴趣,可以用德语交谈。爱因斯坦上了年纪以后力不从心,不再热衷于解决老问题、提出新问题了。他喜欢告诉人们,他去办公室上班,“只是为了获得能和库尔特·哥德尔一起步行回家的荣幸”。

哥德尔假定整个宇宙是旋转的,像范斯托克姆的圆柱体一样,你被时间-空间像蜜糖一样的黏性所带动。乘坐火箭船围绕哥德尔宇宙旅行,你将回到起点,但时间却倒退了。

在哥德尔宇宙中,一个人原则上可以在宇宙中空间和时间任意两点间旅行。他能看到任何时期发生的每一个事件,不管是在过去多么久远的时候发生的。因为重力的影响,哥德尔认为宇宙本身有收缩的倾向。因此,旋转的离心力必须平衡这个重力。换句话说,宇宙必须旋转超过一定速度,宇宙越大收缩的倾向越大,这样算下来,我们所在的宇宙必须每700亿年转一圈,时间旅行的最小半径是160亿光年。但事实上,要想让时间倒退,你必须以略低于光速的速度旅行。

爱因斯坦被他这个朋友的解深深地扰乱了。他承认在他建立广义相对论时,时间旅行的可能性问题曾困扰他。因为时间和空间被处理成像一块能够弯曲和扭曲的橡皮,空间-时间结构会弯曲得太大,以至于时间旅行也许可能。爱因斯坦最终排除了哥德尔的解,因为人们对宇宙的认识表明,宇宙不是旋转而是膨胀的。

在爱因斯坦去世的时候,众所周知他的方程考虑到一些奇怪的现象,比如时间旅行和虫洞。但是没人认真思考这些问题,科学家认为这些现象在自然界是不能实现的。多数人的意见是,这些解在真实世界中没有基础:如果你想通过黑洞进入平行宇宙,你必死无疑;宇宙不旋转;你不能找出无限大的圆柱体。因此时间旅行是个纯粹的学术问题。

于是时间旅行问题沉默下来。

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