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时间旅行的真实和悖论(3)

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。

 

时间旅行的复苏

到了1985年,美国天文学家卡尔·萨根(Carl Sagan)写了一部名为《接触》(Contact)的小说,其中涉及人类通过黑洞与外星球文明进行超时空接触,他对书中涉及的物理原理是否正确没有把握,于是就请好友基普·索恩(Kip Thorne)帮忙看看。索恩是研究相对论的专家,他被小说情节所吸引,不过他认为,利用黑洞进行时间旅行是不合理的,建议萨根把黑洞改为虫洞。

卡尔·萨根愉快地接受了索恩的建议,在地球和26光年外的织女星附近设置了两个洞口,让女主人公阿洛维博士通过虫洞在地球和织女星之间往返,大大缩短了旅行时间。从此,虫洞频频出现在科幻作品中。

《星际穿越》剧照。主飞船旋转,产生的离心力能让住在里面的人感受到重力效应

《星际穿越》剧照。主飞船旋转,产生的离心力能让住在里面的人感受到重力效应

 

正因为萨根的请教,索恩开始正式把虫洞作为研究对象,他要解决虫洞在什么情况下能够打开,也就是说,虫洞怎样才可以作为时间旅行的工具。

1988年,索恩把与学生莫里斯合写的论文《虫洞、时间机器和弱能量条件》投稿到《物理评论通讯》上,虽然题目里有“时间机器”,但最后还是被发表了。论文说从理论上证明有可能存在着“可以被穿行的虫洞”;打开虫洞需要有一种“具有负能量的奇异物”;同时还论证了借助这种虫洞实现回到过去的时间旅行的可能性。这种具有负能量的东西实在太奇怪了,连物理学家都把它叫作“奇异物”。实验室中目前已经制造出了极少量的奇异物。

索恩在《黑洞与时间弯曲》一书中写道:“临近文章发表时,我又惴惴不安起来。为了消除疑虑,实际上是为了让别人相信,我们的时间机器研究没有一点儿哗众取宠的意思,我问了加州理工学院公关部的同事。在许多物理学家看来,在大众中故弄玄虚也许是疯狂的行为,而我希望物理学同行们能认真研究我们的论文。”

论文在物理学家中激发了兴趣,苏联科学家诺维科夫着迷了。当时他正在美国访问,他打来电话说:“我太高兴了,基普!你冲破了阻碍。你能发表时间机器的研究,我也能!”接着,他立刻开始行动了。后来提出上文说的“诺维科夫自洽性原则”。

除此之外,普林斯顿大学的理查德·高特(Richard Gott),以及斯蒂芬·霍金都参与进来,时间旅行再也不只是幻想,它引发了物理学界对时空旅行新的关注。其中,维持虫洞持续开放的奇异物质的相关研究甚至成为该领域内一个重要课题。而在此之前,科学家们在参与时空旅行的相关讨论时,通常都用“类时闭合曲线”这样晦涩的词语来代替时间机器,让人不至于感到他们在胡说八道。

关于虫洞存在诸多疑问,虫洞有多大?能存在多久?到哪里去找虫洞?在名为《霍金宇宙大探索》的纪录片中这样解释:任何物质都不是平整无暇和实心的,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。时间也存在许多微小的裂缝、褶皱和空洞。在最小的尺度下——比分子甚至原子都小,我们来到一个称为量子泡沫的地方,这是虫洞之所在。

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。

这又回到了一个古老的问题——芝诺悖论。古希腊数学家芝诺提出:“一个人想要从A点走到B点是永远不可能的。”他要先走完路程的1/2,再走完剩下总路程的1/2,再走完剩下的1/2……如此循环下去,永远不能到终点。

提出黑洞概念的普林斯顿大学物理学家约翰·惠勒想找到这个最小的距离,最后发现距离小得难以置信,量级为普朗克长度10-33厘米。量子理论认为,普朗克长度是目前物理学所能描述的最小尺度。

这么小的虫洞令人沮丧,但因为虫洞是在泡沫中自然发现的,索恩假定:一个高级文明有一天可以捕捉到一个虫洞,将它放大数万亿倍,令其足够大并且稳定,能让人甚至飞船进入。尽管非常困难,但它符合物理学定律。

如果我们拥有足够的能量和先进技术,将来或许甚至能在太空中建造一个巨型虫洞。从理论上讲,虫洞或时光隧道不仅能把我们带到别的星球,如果两端在同一个地方,且由时间而非距离分离,在遥远的过去,飞船就能在地球附近自由出入。或许恐龙会看到飞船登陆的场景。

除了大小之外,虫洞的转瞬即逝和不稳定也是一个棘手问题。斯蒂芬· 霍金认为,如果你想走进虫洞,它就会收缩。这是对时间旅行的致命打击,即产生的量子辐射效应会变得无限大,产生一个奇异物,杀死时间旅行者并关闭虫洞。

霍金反对时间旅行,理由是如果穿越时间的旅行像星期天的野餐那么普遍,我们应当能发现很多从未来而来的旅行者。为此,他甚至举办了一个派对来证明这一点。

2009年6月28日,霍金举办了一次“时间旅行者聚会”,他在宴会举办前没有向任何人发出邀请。宴会结束后,他才发出请帖,邀请有“穿越”能力的人士赴宴。请帖上写着:“诚挚邀请你参加时间旅行者的宴会。宴会由斯蒂芬·霍金教授举办。”请帖上不但写明宴会的举办地点为英国剑桥大学冈维尔与凯斯学院,还贴心地标明了经纬度。霍金认为,如果有“来自未来”的人能看到这份请帖并能“穿越”回过去,那么他在那次宴会上就会见到货真价实的“时间旅行者”。

但之后霍金在接受采访时说:“我等了很长时间,没人出席聚会。”霍金还公开了在这次聚会上录制的视频。视频中,他一个人坐在房间里,旁边摆着烤面包和香槟酒,殷切希望门被打开或神秘“未来人”突然出现,但最终却没有任何人现身。霍金称,通过这次实验,已经能够证明时空旅行根本不可能发生。

打开和维持虫洞需要的奇异物实在太奇怪了,所以被物理学家称为奇异物。奇异物内部有负压强,如果尝试用这种物质吹气球,气球反而会变小。和这种负压强相关联的能量会产生一种负的,或者说排斥的引力,正是这种力维持着虫洞隧道口的开放。奇异物并不能从日常环境中找到,但是科学家已经从卡西米尔效应中观测到了微量奇异物。所谓“卡西米尔效应”就是在真空中两片平行的平坦金属板之间存在吸引压力,这一效应会在真空中相距仅几十亿分之一的两片金属板之间产生一种将它们拉向一起的力,这种力就来源于两片金属板之间产生的奇异物质的负压力。

卡西米尔效应之所以能发生,是因为真空世界实际上并不是什么都没有。有一些叫作虚粒子的东西在不停地冒泡,这是一种亚原子粒子,行为符合量子理论中的不确定原理,时而出现时而消失,只能存在很短时间。量子力学另外一个叫作波粒二象性的观点认为,这些粒子也可能是波。在金属板之间,这些波有点像振动着的吉他弦,只有当弦的长度是半波长的整数倍时,振动才会发生。

在卡西米尔效应中,因为两块平行板靠得很近,所以这些虚拟粒子不容易在两块板之间出现,在两块板外围的虚拟粒子比两块板之间的虚拟粒子要多,这就产生从外向内的作用力,将两块平行板轻推在一起。卡西米尔效应以荷兰科学家亨德里克·卡西米尔的名字命名,他于1948年首次预言了这种现象。1996年史蒂文·拉莫尔奥克斯(Steven Lamoreaux)在美国新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室精确测量了这个效应,他测量出的吸引力很小,大约等于蚂蚁重量的三万分之一,而且板间距越小,吸引力越大。

以上的理论也存在一个问题:维持虫洞所需的负能量不仅数量巨大,并与其半径有着正比关系。据估算,为了维持一个半径为1公里的虫洞所需要的负能量物质的数量,相当于整个太阳系的质量。

为此,美籍日裔物理学家加来道雄在《平行宇宙》一书中写道:“尽管索恩的解决方案在它公布时使人非常感动,但是实际制造它,即便是高级文明也非常困难。因为这种类型的虫洞依靠大量负能量使得虫洞的嘴保持张开,所以首先必须得到大量非常稀少的负能量。因为通过卡西米尔效应创造的负能量非常微弱,所以虫洞的尺寸不得不比一个原子的尺寸小很多,这就使得穿过虫洞的旅行不现实。”

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