時(shí)間旅行的遐想

讓我們?cè)O(shè)想這樣的情況：一位航天員駕駛著宇宙飛船，以相對(duì)一位靜止觀察者240 000千米，秒的速度飛行的同時(shí)，飛船又以240000千米，秒的速度朝前方射出了一個(gè)物體。按照一般常識(shí)，靜止觀察者可以把兩個(gè)速度相加得到被發(fā)射物體的速度，即480 000千米/秒。但是，這個(gè)速度要比光速(299 725千米/秒)還快，按照愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論，這是不可能的。根據(jù)相對(duì)論公式，靜止觀察者測(cè)量到的射出物體的速度應(yīng)當(dāng)是292470千米/秒，只比飛船的速度快52470千米/秒。速度怎么會(huì)丟失呢?要回答這個(gè)問(wèn)題，必須對(duì)時(shí)空本質(zhì)進(jìn)行一番研究。從這樣的研究中，我們可以得到啟示，有朝一日我們能通過(guò)時(shí)間，進(jìn)行往返終極旅行。

近代時(shí)空觀

經(jīng)典的概念把時(shí)間視為像江河那樣川流不息，而與人類(lèi)活動(dòng)無(wú)關(guān)；但是，認(rèn)為時(shí)間能加快、延遲或改變的說(shuō)法是不對(duì)的。無(wú)情流逝的年華畢竟是絕對(duì)、客觀的。近代物理學(xué)家在研究所謂可以壓縮和拉伸的彈性時(shí)間問(wèn)題，他們也在談?wù)摃r(shí)間凝固和不存在的一些離奇的地方。根據(jù)愛(ài)因斯坦相對(duì)論，當(dāng)宇宙飛船的速度接近光速時(shí)，航天員的動(dòng)作會(huì)顯得很遲鈍，他的表要變慢，他的尺子要變短，用地球上的時(shí)間來(lái)衡量，他的每一分鐘都變長(zhǎng)了。這就是時(shí)間膨脹的含義。飛船越接近光速，航天員的表就走得越慢，尺子也變得越短。如果他能達(dá)到光速，那么，他的尺子將會(huì)縮短到零，時(shí)間也就會(huì)完全停止。由于存在這些奇特的效應(yīng)，航天員用縮短的尺子和走慢的表(現(xiàn)在，他的1分鐘等于2分鐘)測(cè)量的射出速度，自然就會(huì)比靜止觀察者用正常度量單位測(cè)量的大得多。而在航天員看來(lái)，他的表和尺子都很正常，似乎是宇宙里別人的速度在減慢，長(zhǎng)度縮短了。再進(jìn)一步，如果能以超光速飛行的話，時(shí)間就會(huì)倒退。在這種情況下，航天員旅行回來(lái)的日子就會(huì)在他離開(kāi)的日子之前。這似乎是絕對(duì)不可能的，但是在某種情況下，卻正是將要出現(xiàn)的事實(shí)!相對(duì)論的時(shí)間概念說(shuō)明，時(shí)間的伸縮性由觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所決定。上述宇宙飛船發(fā)射物體的例子就是一個(gè)簡(jiǎn)單的、業(yè)已證明的彈性時(shí)間的例證。根據(jù)相對(duì)論的理論，這種情況之所以可能，是因?yàn)榭臻g和時(shí)間緊密相關(guān)，它們不能相互脫離而存在。

1915年，愛(ài)因斯坦將狹義相對(duì)論擴(kuò)展到廣義相對(duì)論，他指出：在巨大質(zhì)量附近，空間會(huì)彎曲。這種彎曲會(huì)影響物體的運(yùn)動(dòng)，顯示它是一種力，在這里就是引力。光是能量的一種形式，也有質(zhì)量，在引力場(chǎng)中會(huì)彎曲。1919年愛(ài)丁頓發(fā)現(xiàn)光通過(guò)太陽(yáng)近旁時(shí)彎曲，證明了在巨大質(zhì)量的周?chē)鷷r(shí)空的確會(huì)發(fā)生彎曲。后來(lái)，通過(guò)使用高精度原子鐘，科學(xué)家證明了處于引力場(chǎng)中的時(shí)鐘的確會(huì)走慢。當(dāng)然，這個(gè)效應(yīng)很小，在離地球表面1.6千米處，時(shí)鐘每20萬(wàn)年才慢1秒。

時(shí)間旅行

上述所講的空間彎曲的效果是微小的，對(duì)未來(lái)的時(shí)間旅行不會(huì)有什么價(jià)值。但是，我們從中已經(jīng)看到了引力和時(shí)間是密切相關(guān)的。從現(xiàn)實(shí)意義上講，我們需要找到強(qiáng)得多的引力源。我們知道，那些核燃料消耗殆盡的恒星，由于自身強(qiáng)大的引力而塌縮，就形成了初始質(zhì)量不同的三類(lèi)天體：白矮星、中子星和黑洞。這些超致密的恒星物質(zhì)核可能就是通向宇宙遙遠(yuǎn)角落的大門(mén)，同時(shí)也可能就是通往遙遠(yuǎn)未來(lái)和古老過(guò)去的時(shí)間之扉。三者之中最有希望為時(shí)間旅行提供可能性的是宇宙中最為奇特的天體——黑洞。如果塌縮中的恒星具有大于3倍太陽(yáng)的質(zhì)量，內(nèi)部的引力將壓倒一切阻力而繼續(xù)塌縮，以致其密度和引力場(chǎng)大到任何東西都無(wú)法逃逸，甚至光。當(dāng)質(zhì)量10倍于太陽(yáng)的恒星塌縮至一定半徑時(shí)，上述情況就會(huì)發(fā)生。這個(gè)半徑所決定的球面邊界稱為“出事線”。由于沒(méi)有什么力量阻止，恒星還要繼續(xù)塌縮，在若干分之一秒內(nèi)，所有質(zhì)量縮至一個(gè)無(wú)限小的點(diǎn)——“奇點(diǎn)”。在奇點(diǎn)上，時(shí)間和空間已不復(fù)存在。在航天員看來(lái)，時(shí)間很正常，只不過(guò)引力漲落使他感到很不舒服。他不斷地加速，在越過(guò)“出事線”后，只經(jīng)過(guò)一百萬(wàn)分之六十七秒，就闖入了“奇點(diǎn)”，自身也就不復(fù)存在了。正當(dāng)我們勇敢無(wú)畏的航天員越過(guò)“出事線”前的瞬間，他將發(fā)現(xiàn)整個(gè)宇宙和其中所有的時(shí)鐘都在瘋狂地加速，每秒相當(dāng)于10億年。在他越過(guò)“出事線”之時(shí)，宇宙的整個(gè)未來(lái)都將在他的眼前閃過(guò)。這就是一種單向旅行的方式，在這種情況下，航天員永遠(yuǎn)不能回到他出發(fā)前的那個(gè)時(shí)刻了。

什么是雙向時(shí)間旅行呢?前面已經(jīng)講過(guò)，任何物體只要加速到接近光速，時(shí)間就會(huì)出現(xiàn)畸變。設(shè)想一位航天員在22歲生日當(dāng)天以98％的光速飛向25光年遠(yuǎn)的星球，當(dāng)他回來(lái)時(shí)，他將發(fā)現(xiàn)自己正好來(lái)得及過(guò)32歲生日。越是接近光速這個(gè)效應(yīng)越明顯。比如，當(dāng)速度達(dá)到光速的99.999％時(shí)，我們的航天員就能在幾年時(shí)間內(nèi)跑遍整個(gè)銀河系，而地球上已度過(guò)了30萬(wàn)年!如果是用火箭加速器來(lái)進(jìn)行這次旅行的話，所消耗的能量將是地球整個(gè)歷程所消耗能量的數(shù)百萬(wàn)倍。不過(guò)，從理論上看，這卻是完全可能的。通過(guò)時(shí)間膨脹單程進(jìn)入未來(lái)(已由高能物理實(shí)驗(yàn)所證實(shí))，再通過(guò)某種途徑回到我們的宇宙來(lái)完成時(shí)間旅行。雖然這種形式不容易為大多數(shù)人所接受，但它已經(jīng)向我們透露了宇宙的真正奇妙之處，并向我們打開(kāi)了通向更加奇異的效應(yīng)的大門(mén)。

時(shí)間旅行的可能性

宇宙中所有的星球都在旋轉(zhuǎn)，而且塌縮時(shí)越轉(zhuǎn)越快，因此可以認(rèn)為，不旋轉(zhuǎn)的黑洞是極其稀有的，而旋轉(zhuǎn)黑洞對(duì)時(shí)間旅行家來(lái)說(shuō)，又有許多文章可做。理論預(yù)測(cè)指出，如果黑洞質(zhì)量足夠大，人們就能穿越黑洞的“出事線”進(jìn)入另一個(gè)宇宙而不受損害。依所取的路線不同，航天員可進(jìn)入未來(lái)宇宙或過(guò)去宇宙，一個(gè)由負(fù)空間和反引力構(gòu)成的宇宙或是在不同的時(shí)間進(jìn)入我們自己的宇宙。這些奇異的效應(yīng)是真實(shí)的嗎?是沒(méi)有任何現(xiàn)實(shí)意義的數(shù)學(xué)增根嗎?設(shè)想有一個(gè)木匠要算出一間面積為256平方米的正方形房間的邊長(zhǎng)，答案當(dāng)然是16米，即256的平方根。但256的平方根可以是+16，也可以是-16。由于-16米沒(méi)有什么實(shí)際意義，因此這位木匠選用了正值。他這樣做是不假思索的，只有物理學(xué)家和哲學(xué)家對(duì)此要思考一番。哥倫比亞大學(xué)的范因堡研究了相對(duì)論后指出，相對(duì)論公式并不排除超光速旅行，不允許發(fā)生的只是以光速飛行。由于我們都生活在亞光速的世界里，因而都被不可逾越的光障禁錮在現(xiàn)有的狀態(tài)中。但是，一道屏障總有兩面。設(shè)想有一類(lèi)粒子全都以超光速運(yùn)動(dòng)而存在，光速是超光速粒子的下限，因?yàn)樽畹湍軕B(tài)意味著以無(wú)窮大速率運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然，我們感興趣的是超光速粒子與時(shí)間的關(guān)系。正如我們接近光速時(shí)時(shí)間變慢一樣，超光速粒子也是這樣，不過(guò)有一點(diǎn)不同：在超光速粒子世界里，時(shí)間甚至可以倒退。有的物理學(xué)家認(rèn)為超光速粒子不過(guò)是數(shù)學(xué)異常，應(yīng)予以摒棄，正如-16米對(duì)木匠來(lái)說(shuō)毫無(wú)意義一樣。

有沒(méi)有證據(jù)證明超光速粒子的存在呢?1973年，克雷和克羅許兩位科學(xué)家研究了能量極大的宇宙線雨，它們是由宇宙射線同地球高層大氣原子發(fā)生碰撞后產(chǎn)生的。克雷和克羅許推想，如果存在超光速粒子，而且能在這種碰撞中產(chǎn)生出來(lái)，那么它們將比宇宙射線先到達(dá)地面，因?yàn)橛钪嫔渚€的速度接近光速。在對(duì)1000例宇宙線雨進(jìn)行研究之后，他們發(fā)現(xiàn)事實(shí)正是如此。在宇宙射線到達(dá)之前，確實(shí)測(cè)到了某種東西，這雖然還不能證明超光速粒子的存在，但暗示了這個(gè)方向。我們還可以做進(jìn)一步的推想，如果超光速粒子存在的話，那么反超光速粒子就會(huì)存在。

物理學(xué)家費(fèi)恩曼曾經(jīng)指出，正電子可以看成是時(shí)間上倒退的電子。這樣看來(lái)，反超光速粒子就是沿時(shí)間向后運(yùn)動(dòng)的超光速粒子。有些物理學(xué)家還預(yù)測(cè)，在光障的另一面存在著超光速粒子世界，而不必經(jīng)歷光速運(yùn)動(dòng)的階段。在超光速粒子世界里，我們將能突然穿越時(shí)間和空間，然后再按我們選定的時(shí)間和地點(diǎn)潛回我們的宇宙。這一設(shè)想我們可以用電子器件中的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)比擬。電子器件中，電子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)時(shí)，一般都要通過(guò)中間狀態(tài)，但在隧道二極管中情況就不同，電子從勢(shì)壘的一邊到另一邊可以直接穿越勢(shì)壘，即所謂的隧道效應(yīng)。另外，量子物理指出，物質(zhì)和能量都是不連續(xù)的，是一份一份的，而宇宙就是由這些小的份額組成的。時(shí)空本身是否也是這樣的呢?如果把時(shí)空量子化，就能避免發(fā)生與黑洞有關(guān)的一些問(wèn)題。然而，即使是這樣，仍然存在著時(shí)間更加激動(dòng)人心的可能性。

我們目前正處于科學(xué)的異常奇異的門(mén)檻上，我們通過(guò)理論物理學(xué)的狹縫，看到了一些回答上述問(wèn)題的出路。宇宙遠(yuǎn)比我們想象的更奇特，對(duì)于雙向時(shí)間旅行，數(shù)學(xué)不但為它提供了一席之地，而且向我們預(yù)示了未來(lái)的方向。