@ 2017.04.22 , 22:43
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我们能穿越时空吗?

我们能穿越时空吗?
credit: 123RF

穿越剧的魅力在于情节易于设计,而在现实中又难以实现。 Paul Davies是一位理论物理学家,他一生致力于研究时间的本质,他经常回答人们关于时间的各种奇葩问题。被问及最多的自然是“我们能穿越时空吗?”

“当然可以”Davies说道,“不过是在一定的物理条件下”。

时间旅行的两种方案
回到过去,理论上可行,但现实是骨感的。当Albert Einstein于1905年正式提出相对论后,时空旅行前往未来不仅成为一种可能,更被当时的科学家认为是迟早要实现的事情。我们要做的的仅仅是运动的更快!尽管任何物体的相对运动都会造成短暂的时间错位,但只有达到光速量级的速度才能使我们察觉这一差异。也就是说,当物质以接近光速的速度运动,时间才会扭曲。举个栗子,假如你希望利用一年的时间穿越到公元2100年,那么你需要一艘全速可达99.993%光速的宇宙飞船,然后你要做的就是乘坐这艘飞船旅行一年(飞船上的时间,而非地球上的时间),最终返回地球,这时你将来到82年后的地球。

速度与时间的关系

T是飞船上事件A和B之间的时差
T0是地球上事件A和B之间的时差
v是飞船速度 c是光速

如果你嫌坐飞船太过无聊,那么还有另一种办法:去一个更高重力场的地方待一段时间。不同重力场下,时间流逝的快慢也不同。远离地球的卫星上的时间要比地球表面的走得更快!这种微小尺度的时间扭曲可以被一些高精度的仪器察觉到。在科技高度发展的今天,这种时间差异早已不是什么新鲜事,如今的GPS卫星定位系统需要考虑卫星运行速度以及公转重力场对时间的影响,以此做出修正,否则GPS就没有那么准了。时空扭曲是真真切切存在的,它已经成为某些实际工程中不得不考虑的因素!

重力场与时间的关系

t0是相对于位于这个引力场内的A和B的时差
tf是相对于位于这个引力场外的A和的时差
G是引力常数,M是产生引力天体的质量,r是观测者的径向坐标(相似于从天体中心的距离,但实际上是史瓦西坐标),c是光速,r0=2GM/c2是M的史瓦西半径

我们只能前往未来?!
当然了,想利用当今的科学技术实现时间旅行几乎是不可能的。举个栗子,乘坐飞机旅行仅仅会产生微小的时间错位,数量级在十亿分之一秒,如果要实现电视剧《神秘博士》中出现的时间旅行更是难上加难。“穿越”的另一大障碍在于它是一趟单程旅行。你只能前往未来——比其他人更加快的来到未来,但是你不能再回到过去。穿越剧中经常出现的穿越回来的剧情,是没有理论依据的!一些科幻小说里的回到过去英雄救美的情节也是违背物理定律的。

Einstein的相对论并没有具体指出回到过去是否可行。在物理学界,对于“是否可以穿越回过去”这一命题也一直争论不休。Einstein本人也指出“回到过去引发的悖论简直就是磨人的小妖精。”但物理学家们对一点达成了共识:假如穿越到过去是可能的(这里只是假设!),它将比穿越到未来更加难以实现。制造时光机需要建立在虫洞和弦论的基础上,但要实现它,可能要等到人类文明可以轻松产生恒星级能量的时候了。

除了技术上的障碍和巨大的成本,回到过去也可能引发一系列的悖论和矛盾。如著名的因果循环悖论,物理学家以及科幻小说家也经常因为这些悖论而苦恼。一件看似不经意的事件就可以改变人生,甚至改变历史。在电影双面情人(《Sliding Doors》由Gwyneth Paltrow主演)中,女主角海伦走在伦敦的地铁站里,车子靠站后两种不同的选择使她的人生走向截然不同的方向。电影给叙述了由一个不经意的选择造成的两种相反的情节。事实上,我们也可以举出一些更加夸张的栗子,假如宇宙射线意外击中人类胚胎DNA遗传因子上一个关键的原子而引发癌症,那么这个人自然会英年早逝。如果他是年轻时期的Adolf Hitler呢?那么人类历史必然会被改写。

量子力学与因果论
因果循环悖论似乎阻碍了穿越回过去的道路。譬如说,小明坐时光机回到过去,他与历史上的任何事物的互动,不管是多么不经意的活动,都有可能造就一个不一样的未来世界,这个未来将与小明熟知的未来有所不同。那么哪一个未来世界才是真正存在的呢?如此的问题还与很多,困扰了一代又一代的科学家们。但是,因果悖论也有漏洞,那就是量子力学!

量子力学是对世界上所有物质的描述,但量子效应在原子尺度上才是最明显的。在宏观世界,我们掷一个骰子,1-6点正面朝上的概率都是1/6,我们认为该事件是随机的,但是如果我们通过计算,每次都以相同的力道,角度掷相同的骰子,理论上我们能控制每次都掷到6,也就是说掷骰子这一事件是伪随机的,是人为可以控制的。但是量子力学认为任何事件都是不确定的,只能计算其概率,这种效应在微观世界最为明显。量子力学的核心论点是不确定性,例如激发一个原子周围的一个电子,在第一次观测中电子跳跃到原子的左边。然而当我们在完全相同的条件下重复上述过程,我们观察到电子跳跃到原子右边。尽管我们可以计算电子出现在原子左边的概率,但是我们也无法排除电子跳跃到右边的可能性。类似地延伸到时间上,量子力学指出未来是无法被确定的,是拥有无限可能的。未来具有不确定性!

我们不知道量子力学的不确定性是否对已经发生的事情适用,就像未来是不确定的一样。于是有人提出来平行世界的理论来解释因果循环悖论。值得注意的是,平行宇宙并不是科幻小说作者灵机一动创造出来的概念,而是科学家们根据观测到的事实以及各种宇宙理论进行推理的结果。

平行宇宙的出现似乎打开时间旅行的大门。如果过去发生的某件事件不是“板上钉钉”的,它处于模糊状态,是可以改变的,那么因果循环悖论将不复存在。假如一个人穿越回到过去,确定了一些原本模糊的“态”,那么他将使他所处的时空具体化,确定了原本“混沌”的“状态”。根据量子力学的理论,穿越回过去不能改变历史,但可以使历史更加清晰。一些科学实验已经证明了这一点:对光子某个时刻的实验可以影响光子过去某个时刻的混沌状态,但是不能影响过去已经确定的某个“态”。量子力学里这种“奇怪”的理念与Einstein称为“Spooky Action”的现象相对应。

历史无法改变,但可以增添细节
穿越时空不能改变历史:不管时间穿越者在过去干了什么,其结果都必须与现今世界(他来自的世界)的历史保持一致。所以仇人不可能回到过去在你出生以前谋杀你的母亲,因为你已经出生,这是既定事实,即已经确定的“态”。但是你却可以回到过去英雄救美,让美人成为你的母亲。历史上,成为你母亲的人是否被救过这一事件是未知的,即混沌的“态”,可以被确定。

换句话说,时间穿越者在过去能干什么是被限制的,也就是自由度数被限制。穿越者也自然会受到物理定律的限制,当然这并不是什么新鲜事。譬如,我想在天花板上行走,但是物理规律不允许——我当然会摔到地上。另外,当涉及因果循环,限制会更加严苛,我们无法改变已经确定发生的历史。假如要回到过去用刀杀死自己的亲妈会发生什么?刀会自己掉落?还是自己抬不起握刀的手?很多事情会变得难以理解。所以我们无法改变已经发生的事情,但我们可以回到过去确定原本混沌的状态,为历史的发生过程添加更多细节。

在一些电影里,时间旅行是不合法的,政府也制定了相关法律限制。但事实上,是物理定律确保了宇宙中发生的任何事情以及目前“混沌的态”合情合理,而不是人类制定的法规。

本文译自 slate,由译者 Hulk 基于创作共用协议(BY-NC)发布。

# 本文首发于公众号牛油果进化论


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TOTAL COMMENTS: 33+1

  1. 3431435

    我们不仅能穿越到过去,更能把我们未来的时间给别人续一秒

  2. 3431441

    无法改变过去既定的事实与未来既定的态 ,世界线收束理论?

  3. 食品级怪蜀黍
    @9 months ago
    3431444

    有没有可能,时间仅仅是运动物体的一个属性,没有动量的物体就永远静止呢

  4. 3431448

    如果能穿越时空,早已经应该有人四处穿越了
    除非我们在时间线的最前端

  5. 3431455

    都是命运石之门的选择

  6. 3431458

    或许时间穿越一直在发生,只是我们不知道它的表现形式,比如原本天南海北的两个人偶然相遇,可能就是安排好的一次穿越。

  7. 时光鸡
    @9 months ago
    3431462

    看各种穿越电影从来想不清楚因果关系的我,今天才晓得原来本身就是悖论

  8. 装模作样芝麻
    @9 months ago
    3431464

    既然能穿越时空为啥现在没有一个见到穿越时空的人

  9. 薯片被谁吃了
    @9 months ago
    3431468

    为啥爱因斯坦要用英文写

  10. 空气空气
    @9 months ago
    3431472

    啊 物理废已经彻底死在沙滩上了

  11. 一剑倾江湖
    @9 months ago
    3431483

    能读懂千分之一的文章

  12. 3431484

    说不定所谓因果律导致的单向时间只是高维时间的一个低能量解呢?

  13. 3431488

    @xiu: 目前没有理论支持穿越到过去唉:-(

  14. 3431491

    主要讲了一下观点:1,有两种方法可以穿越:接近光速,或者高引力场!
    2,我们只能穿越到未来,回到过去违背目前的物理规律!
    3,假如可以回到过去,我们也不能改变历史,只能为历史的发生增添细节!

  15. 零下伊度
    @9 months ago
    3431510

    所以说中国古代人就知道“天上一天地上一年”这种相对论的道理,得有多神奇!或者说是真的接触过“天人”呢?也许地球外的某种生物他们在培养皿中看着我们高速行进的时间线,而他们仅仅过了一天而已。

  16. cangzhijie
    @9 months ago
    3431517

    回到过去能见到自己吗?我最想问这个问题

  17. moonsun
    @9 months ago
    3431549

    我们每天不都在穿越吗?等你醒了就到明天早上了。

  18. 3431574

    @薯片被谁吃了: 何止爱因斯坦,还有阿道夫名字也是英文写的。

  19. 小基佬
    @9 months ago
    3431580

    上数学课的时候一闭眼一睁眼就莫名奇妙地穿越到了下课。

  20. 小基佬
    @9 months ago
    3431581

    上高数的时候一闭眼一睁眼就穿越到下课了,,,,

  21. laniakea
    @9 months ago
    3431597

    说到底还是“限制”,不借助外力的情况下,人的速度有极限,人的寿宁有极限等等,就意味着无法有足够的能力去了解世界的真实,这就是世界对人类的限制,谁制定的这个限制,凭空而来?不存在的,,古人归因于神,那么神到底是什么呢?

  22. 叮当狼嫁我
    @9 months ago
    3431602

    回到过去大概不行,但历史修改其实是有的,而且这个世界的时间线似乎都没有锁。是非常容易修正的,简单到如同在语句里加一个but ,各种历史或事件的反转,真相,跟很多年后用新添加的条件语句重置结果有什么区别

  23. 冰之血
    @9 months ago
    3431621

    说不定有人穿越回去杀希特勒,可在走楼梯的时候摔死了,还有,死的就是穿越回去的你

  24. 猫头兔子
    @9 months ago
    3431635

    我对物理了解不多。。只是想一个问题 如果这个问题很傻希望别喷我
    量子力学的不确定性是真的不确定 还是人类还没有能力测量出它运动的规律

  25. 猫头兔子
    @9 months ago
    3431639

    我对物理了解不多。。只是想一个问题 如果这个问题很傻希望别喷我
    量子力学的不确定性是真的不确定 还是人类还没有能力测量出它运动的规律

  26. 3431640

    向未来穿越,其实是几乎冻结自己的时间,让别人的时间正常流逝,这样当自己“醒来”时,就能看到别人花了正常的时间长度变成的样子~

  27. 白大地
    @9 months ago
    3431654

    @v 你做出判断的前提是你具有认识到有人已经穿越这一事件的能力,但这个假设实在是十分的自大

  28. 心已碎
    @9 months ago
    3431723

    @猫头兔子 @食品级怪蜀黍 量子力学的不确定性是真的不确定 。宇宙没有动量就相当于没有时间。

  29. 3431761

    如果过去只存在于回忆之中,为什么要和相对论死磕呢,改变人们的记忆就好了

  30. 煎蛋定理
    @9 months ago
    3431857

    时间谬论不是早说了吗,我们可以穿越时空,但是无法改变过去,因为当你穿越到某个时间节点时,就已经改变了这条时间线上的东西,在这个时间节点会生出一条新的时间线,所以人永远无法通过穿越时空来改变已经发生的事情~

  31. 霍金的轮椅
    @9 months ago
    3431985

    地上捡一块钱 腰还没直起来已经想到公司上市了怎么跟股东撕逼系列

  32. 3433249

    现在来看不能回到过去应该是肯定的吧,否则现在媒体这么发达总归能抓到一些……

  33. 3433599

    发一个遗嘱 在现在这个时候这个地点,未来的子孙们如果有穿越时空的能力,来见你,有就有,没有就没有咯。你们想那么多干嘛????

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