理論下的“時(shí)間旅行”

郭玉川

【摘要】 在相對論和量子力學(xué)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代物理的幾十年的長足發(fā)展之下，依據(jù)現(xiàn)代物理和數(shù)學(xué)工具，在以前看來是幻想的時(shí)間旅行已經(jīng)在理論下形成了相對論，蟲洞理論等的時(shí)間旅行的可能方式。雖然依靠目前的科學(xué)技術(shù)甚至都難以驗(yàn)證其中一些理論的可行性。而且即便理論正確，在可預(yù)見的未來也都是難以實(shí)現(xiàn)的，但它們卻能為我們以后指明方向，讓我們對這個(gè)世界能有一個(gè)更加清楚的認(rèn)識。

【關(guān)鍵詞】 相對論 量子力學(xué) 蟲洞理論 時(shí)間旅行

對于“進(jìn)行時(shí)間旅行”這一話題，大多數(shù)人都是未經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)思考而侃侃而談，一笑而過。而對于當(dāng)代物理學(xué)家，卻是一個(gè)極其深?yuàn)W且復(fù)雜的問題。他們試圖通過已知的物理理論和嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明，使之變?yōu)榭尚校⑵谕苤饾u形成相對完整的理論體系。即使這樣，對于這一問題，物理學(xué)界依然分歧嚴(yán)重。而物理學(xué)家索恩曾多次指出：即使物理學(xué)定律不允許時(shí)間機(jī)器，我們?yōu)榱苏J(rèn)識它們而做的努力，也將強(qiáng)化我們對因果性的認(rèn)識而帶來很多幫助。[1]

一、愛因斯坦狹義相對論

根據(jù)愛因斯坦的理論，光速在任意坐標(biāo)系下都保持恒定的值，而且也是一切機(jī)械運(yùn)動(dòng)和電磁運(yùn)動(dòng)中的最大極限值，其大小始終大約為每秒30萬千米。通過基于簡單數(shù)學(xué)推論的理想試驗(yàn)，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)對于牛頓理論體系中“時(shí)間是絕對的，且不受任何外界因素的影響，它始終如一地從過去經(jīng)過現(xiàn)在流向未來。”這一基本觀點(diǎn)實(shí)際上存在著重大的缺陷。通過對不同坐標(biāo)參考系下的運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行洛倫茲變換，他發(fā)現(xiàn)不存在絕對的時(shí)間，也不存在絕對的空間。對于不同的坐標(biāo)參考系它的時(shí)間都是不同的，即時(shí)間、空間具有相對性。

從狹義相對論可知，對于在一慣性系中運(yùn)動(dòng)的物體，其速度越快，它的時(shí)間過得就越慢，形成所謂的時(shí)間膨脹效應(yīng)。因此，想要踏上未來之旅，我們所要做的就是使飛行器能足夠快，要使時(shí)間效應(yīng)相對明顯，就需要該飛行器能達(dá)到光速范圍。如果能夠制造出速度接近光速的宇宙飛船，那么宇宙飛船必然會(huì)因?yàn)椴荒苓`反光速最快原則，而使艙內(nèi)的時(shí)間放慢。[2]例如：若一飛船以恒定的99%光速在慣性坐標(biāo)系A(chǔ)中飛行，同時(shí)將地球作為慣性坐標(biāo)系B。地球上的60分鐘，對于飛船上的飛行員來說大概只過了6分鐘時(shí)間。此時(shí)，對于飛船里面的人來說，他們實(shí)際上已經(jīng)進(jìn)入了未來。不過因?yàn)闊o法實(shí)現(xiàn)超光速運(yùn)動(dòng)，我們可以通過這樣的方法進(jìn)入未來，卻無法回到過去。

由狹義相對論可知，若要將物體加速至光速范圍，其質(zhì)量就會(huì)隨速度變得越來越大，甚至變?yōu)闊o窮大，因此就會(huì)需要非常大的能量，大到所需的能量也為無窮。然而，這種情況只適用于外部動(dòng)力。而如果將物體自身質(zhì)量化作能量的話，就不會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量增大至無窮的問題，也就是說，通過這種方法將有可能能使物體飛行速度達(dá)到光速。一旦以物體以光速運(yùn)動(dòng)的話，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)使人驚異的結(jié)果—空間收縮。對于任意物體間的距離，都縮小為零。因而對于光速運(yùn)動(dòng)的東西來說，時(shí)間是不存在的，宇宙中的任何地方都是現(xiàn)在，空間上的距離也是不存在的，宇宙中的任何地方似乎都收縮為一點(diǎn)，而不需要花時(shí)間就能到達(dá)。一旦物體達(dá)到光速，那么理論上將不再有任何東西阻礙它繼續(xù)加速到光速。一旦可以達(dá)到光速，并超過光速，那么我們就可以逆時(shí)間而行，過去的時(shí)間將越過時(shí)間—光速壁壘重新回來，這樣我們就能回到過去，實(shí)現(xiàn)時(shí)間旅行。[3]因此，如果我們在理論上承認(rèn)超光速的存在，那么通過這樣的方法，我們就既可以進(jìn)入未來，也可以回到過去。

二、蟲洞理論

在1915年，愛因斯坦又一次創(chuàng)造性的提出了另一重要理論—廣義相對論。廣義相對論的應(yīng)用范圍更強(qiáng)，適用于一切非慣性參考系。根據(jù)廣義相對論，愛因斯坦提出：時(shí)間和空間并不是一成不變的，而是會(huì)隨著引力場的強(qiáng)弱程度而有所不同，即時(shí)空會(huì)在引力場中發(fā)生彎曲。若在A，B兩點(diǎn)均存在著強(qiáng)引力場，它們的強(qiáng)大引力會(huì)使其周圍的空間發(fā)生扭曲。就像是在一張二維的橡皮膜上放上了一個(gè)重物。橡皮膜會(huì)隨著重物質(zhì)量的增加，而使陷落的井變得越來越深，不過此時(shí)的空間扭曲和陷落發(fā)生在更高維度而變得無法察覺。若此時(shí)A，B兩點(diǎn)扭曲的空間相互接觸，并順利連接在一起，就會(huì)產(chǎn)生一種叫做“蟲洞”的結(jié)構(gòu)。這樣奇異的時(shí)空結(jié)構(gòu)可以作為愛因斯坦方程的數(shù)學(xué)解而出現(xiàn)。因而至少在理論上并不否認(rèn)該時(shí)空結(jié)構(gòu)的存在。這樣的時(shí)空結(jié)構(gòu)可以連接宇宙中兩個(gè)很遠(yuǎn)的兩點(diǎn)，甚至有可能連接著兩個(gè)不同的子宇宙。不過此時(shí)的蟲洞只是空間上的捷徑，還不是時(shí)間機(jī)器。

因?yàn)闀r(shí)間依賴于引力場的強(qiáng)度，要使蟲洞變?yōu)橐慌_時(shí)間機(jī)器并成功地進(jìn)行時(shí)間旅行，只需要將蟲洞的某一入口A放在如中子星一樣的強(qiáng)引力場之中，將蟲洞的另一入口放在相對弱的引力場之中，因?yàn)榇藭r(shí)兩入口在不同的引力場之中，導(dǎo)致兩洞口附近的時(shí)間流逝并不相同。此時(shí)，若在A，B兩洞口放置兩個(gè)相同的時(shí)鐘，會(huì)明顯地看到洞口A處的時(shí)鐘會(huì)比B處的時(shí)鐘走得更慢，兩洞口之間會(huì)形成明顯的時(shí)間差，從而制造出一臺時(shí)間機(jī)器。原則上時(shí)間機(jī)器可以非常強(qiáng)大，我們與洞口A在強(qiáng)引力場中等待的時(shí)間越長，A，B兩洞口之間的時(shí)間差就會(huì)越大，因而我們可以制造出一臺可以帶我們回到過去數(shù)天，甚至數(shù)年的時(shí)間機(jī)器。而且若此時(shí)我們將蟲洞移開強(qiáng)引力場，他們依然保持之前的時(shí)間差，能一直作為一臺時(shí)間機(jī)器使用。

因此，理論上我們可以制造出一個(gè)存在于更高維度的蟲洞結(jié)構(gòu)。通過改變兩洞口處的引力場強(qiáng)弱，并施加人為干預(yù)，就可形成一臺回到過去的時(shí)間機(jī)器。

當(dāng)然，除了通過加速或者利用蟲洞來進(jìn)行時(shí)間旅行之外，科學(xué)家們還想出其它可進(jìn)行時(shí)間旅行的方法。如美國普林斯頓大學(xué)的天文學(xué)家哥特就認(rèn)為還可以考慮通過弦論，利用這種奇妙的弦來使得時(shí)空發(fā)生扭曲，達(dá)到進(jìn)行時(shí)間旅行的目的。而新奧爾良蒂拉恩大學(xué)的數(shù)學(xué)與物理學(xué)家蒂普勒在其一篇名為《旋轉(zhuǎn)的圓柱體及全面違背因果關(guān)系的可能性》的論文中，就設(shè)計(jì)出一個(gè)長100千米，直徑10千米且以極快的速度旋轉(zhuǎn)密度極大的圓柱體來作為時(shí)間機(jī)器。當(dāng)旅行者以螺旋形的路線繞著該圓柱體進(jìn)入時(shí)，就能在時(shí)間上回到過去或者前往未來。

三、結(jié)束語

總的說來。時(shí)間機(jī)器是否能夠存在的問題還沒有解決。不過，即使物理定律嚴(yán)禁時(shí)間機(jī)器，也值得我們?nèi)タ紤]它所引發(fā)的問題，因?yàn)樗赡苁刮覀冎匦抡J(rèn)識時(shí)間和因果關(guān)系的本質(zhì)，認(rèn)識物理學(xué)的其他方面。[4]