時空穿越而已,有什么難的?

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物理定律允許先進文明的成員以他們希望的速度穿越到未來。而回到過去又是另一回事;我們不知道這是否仍遵循物理學定律,這個答案很可能是受一套我們還不太了解的物理定律所控制:量子引力定律。為了讓人類能迅速穿越到未來,或者回到過去(如果允許的話),我們需要的技術遠遠超過我們今天的能力。文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

迅速穿越到未來

阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)的相對論物理定律告訴我們,時間是“私人的”。如果我和你移動的方式不同,或者在引力場中處于不同的位置,那么你經歷的時間流速(它控制著你隨身攜帶的一切運作良好的時鐘滴答作響的速度,并控制著你身體的衰老)與我所經歷的時間流速不同。(愛因斯坦用“時間是相對的”這句話來解釋;我更喜歡“時間是私人的”這句話。)文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

時間的這種私人特性允許一個人比另一個人在時間上更快地向前移動。雙胞胎中一個人(叫他梅瑟塞拉)留在地球上的家里;另一個(叫她弗洛倫斯)高速進入宇宙,然后返回。當他們在旅行結束見面時弗洛倫斯的年齡將遠遠低于梅瑟塞拉;例如,弗洛倫斯可能衰老了30歲,而梅瑟塞拉衰老了4,500歲。(年齡小的那個雙胞胎,經歷了巨大的加速度,達到高速,再減速,轉變方向,然后加速返回,最終在地球上減速至靜止。年齡大的是在地球上過著平靜生活的那個雙胞胎。)這種現象就是所謂的孿生子佯謬。文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

大質量的黑洞是另一種快速穿越到未來的時間旅行工具:如果梅瑟塞拉待在大質量黑洞事件視界上方的軌道上(例如,該黑洞的引力是太陽的十億倍),并且弗洛倫斯向下旅行到事件視界附近并在其上盤旋30年后回來,那么梅瑟塞拉可以衰老數千年或者數百萬年。這是因為時間在黑洞事件視界(引力加速度很大)附近的流速比距離黑洞很遠的地方(一個人可以平靜生活的地方)要慢得多。文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

這些時間旅行現象已經在實驗室里進行過測試??茖W家在紐約長島布魯克海文國家實驗室里做了一個實驗,?介子是一種壽命很短的基本粒子,他們發現它在存儲環中以0.9994倍的光速繞圈比靜止在實驗室里的介子衰變速度慢29倍。并且地球表面上的原子鐘比高于地球表面上的原子鐘慢——大約是它的100億分之4。文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

回到過去:時序保護

自19世紀80年代末以來,我們物理學家一直致力于了解物理定律是否允許回到過去。雖然我們現在還沒有定論,但斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)在他的時序保護猜想中總結了可能的答案(見[1]):似乎有一個時序保護機制,防止閉合類時曲線的生成,從歷史學家手上保護了宇宙的安全。文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

我們物理學家已經確定了兩種可能的時序保護機制:(1)根據物理定律,制造任何時間機器所需的奇異物質可能被禁止存在——禁止以時間機器所需的數量大量存在。(2)當人們試圖激活時間機器時,它們總是爆炸性地自毀。文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

這些機制(1)和(2)是數學結果的描述性翻譯,它是由我們物理學家通過物理定律得到的,而描述這些物理定律的自然語言為數學。命題(1)和(2)抓住了我們計算得到的本質,但在描述性翻譯中丟失了關鍵的細節。對于任何希望努力理解這些細節的人來說,可以從約翰·弗里德曼(John Friedman)最近發表的優美但硬核的綜述文章(見[2])以及馬特·維瑟(Matt Visser)的一篇沒那么多技術性但比較舊且有點過時的文章來入手。文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

我將用我學生邁克·莫里斯(Mike Morris)和烏爾維·尤特塞弗(Ulvi Yurtsever)還有我在1989年用數學方式發明和探索的時間機器例子來說明這些時序保護的機制:一種基于蟲洞的時間機器。(這只是眾多已經研究過的時間機器設計之一。其它的可以參閱維瑟(Visser)的綜述,[3])文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

時空穿越而已,有什么難的?
我爬過一個蟲洞,蟲洞的長度只有幾厘米,但周長大約是我肚子的周長。(在我的書《黑洞與時間彎曲》[4]中,你可以找到關于這個時間機器的更詳細的描述。)文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

基于蟲洞的時間機器文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

蟲洞是一條穿過超時空的假想隧道,它將我們宇宙中的一個地方(例如我在加州理工學院的辦公室)連接到另一個地方(例如加州理工學院的足球場)。蟲洞的每一端(每個洞口)看起來像一個水晶球。人們通過凝視蟲洞的一端,可以看到另一端物體的扭曲圖像。比如朝在我辦公室的蟲洞洞口里看,我看到了扭曲的足球場;足球場上的人看著那里的洞口,就能看到扭曲的我和我的辦公室。蟲洞(隧道)可能只有3米長,所以如果我進入辦公室的蟲洞入口,然后在隧道里僅僅走了3米穿過隧道,我就會從另一個洞口出來,到達距離辦公室300米的足球場。文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

時空穿越而已,有什么難的?從高維超空間觀察的蟲洞。我們的宇宙是二維的薄片。蟲洞是從我們薄片中的一個位置(我們的宇宙)到薄片中另一個位置的超時空捷徑。文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

現在,假設一個來自極其先進文明的生物在“孿生子佯謬”之旅中將足球場蟲洞口帶到宇宙里。當那個洞口回來時,它可能只老化了一秒鐘,而我辦公室里的蟲洞洞口卻老化了一天。于是蟲洞變成了一臺時間機器:如果我進入一個洞口,只穿過幾秒鐘,我就會在下一天從另一個洞口里出來。而從另一個方向穿越蟲洞,我會從前一天出來?。▍⒁?[4].)文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

奇異物質和真空波動文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

我們不知道物理定律是否允許蟲洞的存在。然而,我們確實知道,蟲洞會迅速內爆,以至于沒有任何東西可以穿過它,除非它被引力排斥而保持打開,這種力只能由奇異物質產生。我所說的“奇異物質”是指具有負能量的物質,因此有反引力,即排斥力。文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

物理的量子理論的確允許奇異物質的存在,它是在實驗室中以非常微小的數量產生的:在兩個導電板之間的所謂卡西米爾真空中,以及在光物理學家使用非線性晶體產生的所謂壓縮真空中。文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

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卡西米爾真空:當兩個導電板放置得很近時,平行于板的真空波動電場受到強烈抑制,而垂直于板的真空波動電場幾乎沒有受到影響。其中抑制作用使得板之間的波動能量比無板情況下的波動能量更低,因此板之間的真空 (卡西米爾真空)獲得負引力能。它為板內的電場提供了一些波動能量。導電板的引入催化了這種效應。文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

這種負能量的關鍵在于,真空空間(真空)充滿了宇宙中存在的各種物質和場的微小波動。讓這些波動消失是不可能的。它們是量子力學不確定性原理的結果:如果在某一時刻完全沒有波動(例如) 電磁場,那么波動的變化率一定是無限大的,并且片刻之后的波動將是巨大的。波動強度及其變化率大小的乘積總是大于由不確定性原理給出的確定極限。因此,波動始終存在。我們稱它們為真空漲落,因為它們是真空的屬性,即真空的空間。文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

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卡西米爾真空打開的蟲洞:兩個間隔很小的同心球形導電板放置在蟲洞的喉嚨處。(這里被抑制了一個維度,所以我們的宇宙是一個二維的薄片,導電板看起來像圓形而不是球體。)如果導電板的能量(包括它們的質量的能量E=mc2) 足夠小,則由導電板之間的卡西米爾真空所引起的排斥引力可以使維持蟲洞打開的狀態。文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

量子物理定律表明,真空漲落不產生引力——或者只可能產生極小的引力:加速宇宙膨脹的引力。換句話說,真空漲落可能是所謂宇宙學暗能量的原因。但是這種暗能量是如此之?。?0?121的數量級),以至于與我對時間機器的討論無關;所以我可以說量子漲落根本不產生引力。文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

或者,更確切地說,它們在正常情況下不會產生引力。事實上,人們可以想辦法使一個空白區域將其真空漲落借一些給相鄰區域。(這就是實驗物理學家對卡西米爾真空和壓縮真空所做的事。)當這種情況發生時,被借走能量的區域將留下負的引力能量,而借能量的區域將獲得正引力能量。量子定律嚴格限制了可借波動能量的量。借能量區域的規模越大,它可以借的能量就越少,因此它能產生的負能量就越少。在卡西米爾真空、壓縮真空和所有其他奇異物質變體中都是如此。以上都是由物理定律所決定的。文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

這些對負引力能量的限制,可能嚴重到足以阻止人們積累足夠多的負引力能量來防止蟲洞內爆(見[5])。原因是,借能量的區域和催化借能量的裝置可能總是具有很多的正能量,以至于它們的吸引力抵消了負能量的排斥引力,并觸發所有蟲洞內爆。如果是這樣的話,那么基于蟲洞的時間機器是不可實現的:在蟲洞內爆之前,人們永遠無法穿越蟲洞。(約翰·弗里德曼及其同事稱之為拓撲宇宙監督原理,見[2]。)文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

我個人的猜測是,這些對奇異物質的限制并不能阻止蟲洞被打開,因此并不能保護時序,但我可能是錯的。為了了解真相,我們物理學家必須比現在更深入地理解扭曲時空中的量子理論——即對量子理論和廣義相對論相結合的理論,也就是量子引力理論,有更深入的理解。文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

時間機器自毀文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

如果最終顯示蟲洞可以維持開放狀態,那么這樣仍不足以使得超先進的文明能通過利用孿生子佯謬而將蟲洞轉化為時間機器(將蟲洞的一個洞口高速帶入宇宙然后返回)。因為還有第二個障礙必須克服——時間機器的自我毀滅文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

時空穿越而已,有什么難的?時間機器自毀:當右邊的蟲洞在其孿生子佯謬之旅結束時飛回左邊,真空漲落就流過蟲洞,然后通過蟲洞之間的空間流出,在它們離開的同時回到了它們的出發點。它們的引力能量變得非常大,也許在蟲洞變成時間機器的那一刻就摧毀了它。(圖改編自我的書《黑洞與時間扭曲》,[4].文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

當被帶出的洞口回到地球時,蟲洞可以首次實現回到過去的功能。一個實體進入一個洞口,在它進入之前它就從另一個洞口退出,然后以盡可能高的速度,也就是光速,飛躍宇宙回到它的起點,在它開始旅行的那一刻就回到了第一個洞口,這是時間倒流能做到的第一件事,在離開前就碰到了自己。即使沒有光或其他光速放射線在這條往返時間旅行路線上傳播,真空漲落也總是會這樣做。它們是不可阻擋的。在它們離開的那一刻回到起點時,真空漲落會堆積在它們年輕的自己身上。結果是復制每個波動,然后再來回另一次,每個波動就變成了原來的四倍,依此類推。根據我在1990年與博士后金成元(Sung-Won Kim)所做的計算,底線是恰好在時間旅行首次可能的時刻——即在時間機器激活的那一刻,在蟲洞中的引力波動能量的一個爆炸性流?[4]。文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

這種爆炸性的波動能量會摧毀蟲洞,進而摧毀時間機器嗎?起初,我和金以為蟲洞可以幸存。然而,斯蒂芬·霍金在他1991年關于時序保護的開創性研究論文中給出了相反的有力論據?;艚鹫J為,爆炸很可能在時間機器首次激活時摧毀它——不僅僅是這個時間機器,而是即使是最先進的文明可能構思和建造的任何時間機器都會被摧毀。在接下來的幾年里,許多其他物理學家也參與進來,分析了其他時間機器的設計,看起來霍金可能錯了:一個足夠聰明的設計可能會保護時間機器免于自我毀滅。在1996年,伯納德·凱(Bernard Kay),馬雷克·拉齊科夫斯基(Marek Radzikowski)和羅伯特·沃爾德(Robert Wald)給出了一個強有力的數學證明,即我們所用來分析時間機器自毀的量子物理定律的版本無法揭示爆炸的結果。這個結果服從我們還沒有完全理解的量子引力定律。文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

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任何時間機器的命運?文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

我和霍金關于物理學中未解之謎的打賭歷史可以追溯很久。但我們在這個問題上并沒有打賭,因為這次我們站在同一邊。當我們物理學家掌握了量子引力定律時(霍金和我都同意),我們很可能會發現時序是受到保護的:當任何時間機器第一次被激活時,爆炸總是會摧毀它。文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

在2000年6月,我60歲生日之際,霍金用他自己的量子引力定律的暫定版本,向我展示了對爆炸結果的初步分析。他的結論是:如果我試圖利用一個非常先進文明的蟲洞來回到過去,那么我成功的量子力學概率是分之一;詳見我生日派對書中霍金的文章,[6]。這說明在爆炸中幸存下來的概率非常非常小。哪怕有機會我也不會嘗試。文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

其他時間機器文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

令人驚奇的是,當我們能很好地理解物理定律時,我們可以從中學點東西。一個著名的例子是物理定律堅信,即使擁有極其先進文明的所有工具,也不可能制造出永動機。另一個例子是霍金關于制造時間機器的證明,無論怎樣,人們必須使用奇異物質——負能量物質——作為機器的組成部分;蟲洞證明了這一點,但總的來說確實如此。第三個例子是凱,拉齊科夫斯基和沃爾德的證明,無論人們如何設計這個時間機器,我們現在所知道的物理定律,會讓它在被激活時使其崩潰。再次重申,蟲洞只是其中一個例子?;艚鸬睦碚?,以及凱、拉齊科夫斯基和沃爾德的理論告訴我們,所有時間機器的命運都緊緊地掌握在量子引力定律的手中。文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

在過去的二十年里,我們在尋求理解量子引力方面取得了巨大的進展。我相信,在未來二十年左右的時間里,成功將會到來——它不僅會帶來對回到過去的時間旅行是否可行的清晰理解,而且還會帶來對許多包括我們的宇宙是如何誕生等的其他奧秘的理解。文章源自懂問帝-http://m.168978.com/120877.html

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