@ 2017.04.22 , 22:43

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□□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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