宇宙三禁律

傅小松

著名的天文學(xué)家和科普作家卡爾·薩根曾經(jīng)提出一個(gè)極為深刻的問(wèn)題：物理學(xué)定律容許無(wú)限發(fā)達(dá)的文明做些什么?又嚴(yán)禁他們做什么?卡爾·薩根推測(cè)，在遙遠(yuǎn)的將來(lái)，無(wú)限發(fā)達(dá)的文明將可能實(shí)現(xiàn)一些今天我們看來(lái)不可思議的奇跡(甚至實(shí)現(xiàn)像“暴脹論”創(chuàng)始人艾倫·古斯提出的用9千克物質(zhì)再造一個(gè)宇宙的這類瘋狂夢(mèng)想)。但仍有些事情，人們一直夢(mèng)寐以求，不斷有人絞盡腦汁論證它的可行性，但卻永遠(yuǎn)是一個(gè)神話。用物理學(xué)家的話說(shuō)：“宇宙禁止這種事情發(fā)生”。時(shí)間機(jī)器、空間捷徑以及超光速運(yùn)動(dòng)可能就是這種事情，我稱之為宇宙三禁律。

時(shí)間機(jī)器：美夢(mèng)難圓

自從英國(guó)科幻小說(shuō)鼻祖威爾斯1895年出版《時(shí)間機(jī)器》一書(shū)以來(lái)，關(guān)于制造時(shí)間機(jī)器、實(shí)現(xiàn)時(shí)間旅行便一度成為科幻小說(shuō)及影視中的熱門題材，甚至有些泛濫。時(shí)間機(jī)器，這個(gè)怪物確實(shí)讓人激動(dòng)又忐忑不安。如果真能返回過(guò)去，那就意味著可以返老還童，重塑人生，甚至是再造人類乃至地球的歷史!然而，這種令人神往的圖景帶來(lái)的不全是美妙，也帶來(lái)混亂甚至是恐怖。一個(gè)人通過(guò)時(shí)間旅行可以來(lái)到他出生以前，殺死他的父親、母親，甚至是外祖父，從而使自己無(wú)法出生。這就是聳人聽(tīng)聞的關(guān)于時(shí)間機(jī)器的“祖孫悖論”。由此，許多科學(xué)家、哲學(xué)家均斷言：一個(gè)合理的宇宙將禁止時(shí)間機(jī)器的制造。

盡管時(shí)間機(jī)器荒誕不經(jīng)，但仍有不少科學(xué)家鉆進(jìn)這個(gè)牛角尖，從理論上探索時(shí)間旅行的可能性。1937年，斯托庫(kù)姆發(fā)現(xiàn)愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程的一個(gè)解。在這個(gè)解中，一個(gè)快速旋轉(zhuǎn)的無(wú)限長(zhǎng)柱體起著時(shí)間機(jī)器的作用，稱之為“旋轉(zhuǎn)柱”。但顯然宇宙中不存在這種無(wú)限長(zhǎng)的旋轉(zhuǎn)柱體。1949年，哲學(xué)家哥德?tīng)栍职l(fā)現(xiàn)了一個(gè)愛(ài)因斯坦方程的解，描述了一個(gè)旋轉(zhuǎn)但靜止的全宇宙，一個(gè)人只要離開(kāi)地球到很遠(yuǎn)的地方然后返回，他就可以回到過(guò)去。這個(gè)解同樣沒(méi)有實(shí)際意義，因?yàn)槲覀兊恼鎸?shí)宇宙既不旋轉(zhuǎn)又非靜止。后來(lái)，普林斯頓大學(xué)的哥特又提出可以通過(guò)兩根無(wú)限長(zhǎng)的宇宙弦以極高速度相對(duì)移動(dòng)來(lái)做時(shí)間機(jī)器。可惜，宇宙弦是宇宙中一種可能存在也可能不存在的假想物體。即使宇宙弦存在，無(wú)限長(zhǎng)的東西也不可能存在。這種設(shè)想也純屬空想。

真正有價(jià)值的有關(guān)時(shí)間機(jī)器的探索是美國(guó)物理學(xué)家基普·索恩有關(guān)蟲(chóng)洞的透徹研究。蟲(chóng)洞是一種超空間的假想捷徑。他論證：一個(gè)無(wú)限發(fā)達(dá)的文明可以用量子的辦法或經(jīng)典的辦法(扭曲空間)制造“蟲(chóng)洞”，并運(yùn)用奇異物打開(kāi)它。這種蟲(chóng)洞既可實(shí)現(xiàn)空間旅行，又能成為時(shí)間機(jī)器。

1988年，基普與他的學(xué)生聯(lián)合發(fā)表了《蟲(chóng)洞、時(shí)間機(jī)器和弱能量條件》的論文，引起巨大反響。有些傳媒以《物理學(xué)家發(fā)明時(shí)間機(jī)器》為題大肆宣揚(yáng)，基普被稱為“發(fā)明時(shí)間旅行的人”，但科學(xué)界對(duì)此工作褒貶不一。理論物理大師霍金就完全不同意基普的論證，他指出：這種蟲(chóng)洞在成為時(shí)間機(jī)器之前(據(jù)說(shuō)是不可想像的10－55秒)，會(huì)有一束真空漲落將它破壞無(wú)遺。

看來(lái)時(shí)間機(jī)器注定是竹籃打水一場(chǎng)空。霍金把大自然禁止時(shí)間機(jī)器表述為一個(gè)能維護(hù)時(shí)間次序的“良序猜想”。他強(qiáng)調(diào)，這個(gè)猜想能“保證時(shí)間不會(huì)破壞歷史”。

空間捷徑：無(wú)法通過(guò)

在愛(ài)因斯坦之前，沒(méi)有人設(shè)想過(guò)空間捷徑或時(shí)空隧道。空間中兩點(diǎn)間直線為最短距離，怎么會(huì)有比直線更短的通道呢?1915年，愛(ài)氏提出了廣義相對(duì)論，闡明了時(shí)空彎曲的概念。于是，空間捷徑的想法開(kāi)始出現(xiàn)。

最早提出的空間捷徑就是所謂蟲(chóng)洞。它是1916年有人求解愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程所發(fā)現(xiàn)的。蟲(chóng)洞有兩個(gè)洞口，從外面看，相距極其遙遠(yuǎn)，而洞中超空間的隧道卻極短，甚至只有幾厘米。

假如存在這樣一個(gè)蟲(chóng)洞，它的一個(gè)洞口在地球附近，另一個(gè)洞口在織女星附近，兩洞口外空間距離為26光年，而洞本身僅長(zhǎng)1千米！真是名副其實(shí)的空間捷徑！然而，20世紀(jì)50年代，惠勒等人研究表明：蟲(chóng)洞從打開(kāi)到關(guān)閉到消失，時(shí)間極短，變化莫測(cè)，根本無(wú)法把握。任何事物包括粒子，都無(wú)法穿越它。誰(shuí)想去試試，一定在它的消失中毀滅。后來(lái)，基普通過(guò)深入研究，發(fā)現(xiàn)可用一種具有負(fù)能量密度的奇異物將蟲(chóng)洞洞壁撐開(kāi)，但物理學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)懷疑這一“奇異物”的存在。

于是又有人提出把黑洞變成一種空間捷徑。根據(jù)流行的黑洞理論：如果你落入一個(gè)旋轉(zhuǎn)的黑洞，你便可能穿過(guò)時(shí)空的一個(gè)小洞而到宇宙的另一個(gè)區(qū)域去。這顯然就有了超空間旅行的可能性，但你無(wú)法選擇目的地。也許你想到處女星座度假，而結(jié)果卻到了蟹狀星云。這種情景看起來(lái)十分浪漫，而黑洞專家告訴你實(shí)際上行不通。你通過(guò)黑洞到達(dá)另一個(gè)宇宙區(qū)域是在所謂虛時(shí)間里發(fā)生的。在實(shí)時(shí)間里，你的結(jié)局是會(huì)很悲慘的，作用在你頭上和腳上的引力會(huì)把你撕成“意大利面條”，甚至連構(gòu)成體的基本粒子也不能幸免，并最終在一個(gè)奇點(diǎn)處終結(jié)。

除蟲(chóng)洞與黑洞外，又有人設(shè)想發(fā)明一種叫空間翹進(jìn)器的飛船，不斷將前面的空間壓縮，從而實(shí)現(xiàn)超空間飛行。但壓縮空間需要有難以想像的能量，這是人類無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

看來(lái)，大自然雖然保留了空間捷徑存在的可能性，但不允許我們通過(guò)，我們的空間旅行只能老老實(shí)實(shí)地一步一個(gè)腳印，別無(wú)他途。

光速極限：不可逾越

眾所周知，愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論規(guī)定，真空中的光速是宇宙中一切物體運(yùn)動(dòng)速度的上限。根據(jù)狹義相對(duì)論公式，物體運(yùn)動(dòng)速度愈快，時(shí)間間隔愈大，空間間隔愈小，慣性質(zhì)量愈大。假如物體運(yùn)動(dòng)達(dá)到光速，則運(yùn)動(dòng)物體時(shí)間將膨脹至無(wú)窮大，運(yùn)動(dòng)物體長(zhǎng)度將收縮為零，運(yùn)動(dòng)物體慣性質(zhì)量將達(dá)到無(wú)窮大。這三個(gè)結(jié)果都是不可想像的，如果物體運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步超過(guò)光速，那就更加不可思議了。僅就運(yùn)動(dòng)物體質(zhì)量達(dá)到無(wú)窮大而言，又有多少如此大的能量能推動(dòng)這一物體運(yùn)動(dòng)呢？

愛(ài)因斯坦建立狹義相對(duì)論后，牛頓的萬(wàn)有引力定律曾讓他一度困惑。萬(wàn)有引力似乎是萬(wàn)物間一種普遍存在的即時(shí)、超距的力，它的傳播速度幾乎是無(wú)限的。這與“真空中光速是全宇宙中最快的速度”的理論相矛盾。后來(lái)，愛(ài)因斯坦建立廣義相對(duì)論，把萬(wàn)有引力解釋為時(shí)空彎曲的幾何性質(zhì)，這才消除了這一矛盾。

愛(ài)因斯坦的“光速上限”，大多數(shù)人深信不疑，也有人幻想能打破這一極限。有人提出，當(dāng)物體靜止質(zhì)量為負(fù)時(shí)，將出現(xiàn)超光速，甚至百倍、千倍、萬(wàn)倍于光速。這種說(shuō)法沒(méi)有太多的科學(xué)依據(jù)。2000年7月20日，《自然》雜志刊載了美籍華人科學(xué)家王利軍等人的科學(xué)論文，稱首次在實(shí)驗(yàn)室把光速提高300倍。論文激起軒然大波。很多人借此質(zhì)疑真空中每秒30萬(wàn)千米的光速上限，繼而質(zhì)疑相對(duì)論。后來(lái)，實(shí)驗(yàn)人員出面澄清，他們發(fā)現(xiàn)的是所謂光波群速度，而波頭速度始終不超過(guò)光速，因此與狹義相對(duì)論仍然吻合。光速上限理論遭遇一場(chǎng)虛驚。

大自然不允許物體運(yùn)動(dòng)超過(guò)光速，但宇宙浩瀚無(wú)垠，動(dòng)輒以千百光年計(jì)算，而人生則短暫如白駒過(guò)隙，這是否意味著星際旅行永難實(shí)現(xiàn)?也非如此，作為補(bǔ)償，大自然巧妙安排了接近光速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間膨脹效應(yīng)。一位宇航員以接近光速去幾千光年外的恒星旅行，然后返回地球，他自己實(shí)際只需要幾十年時(shí)間，只是地球上的人們需要幾千上萬(wàn)年地等待。但這點(diǎn)時(shí)間對(duì)宇宙而言，卻遠(yuǎn)非地老天荒，只是短短一瞬而已。