时间旅行的几点扫盲[转] |
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发表时间：2007年11月22日 20时25分41秒
原文地址：http://blog.sina.com.cn/s/blog_497a1b53010003qq.html
引言
如果一段铁轨有环圈以及分叉，使得一直往前开动的火车却返回原先通过的车站，这是怎么回事呢？换言之，人们可能旅行到未来或过去吗？
征程开始……
2003年9月，《牛顿科学世界》以“时间机器何时起程”为题，报道澳大利亚物理学家保罗-戴维斯提出的时间机器制造方法。
2004年4月20日，美国宇航局将一颗名叫“引力探测-B”的科学卫星发射上天，用以验证爱因斯坦的广义相对论中所预言的时空扭曲是否真的存在。
“引力探测-B”研发历时45年，耗资7亿美元，在距地面640公里的地球极地轨道飞行20个月。“引力探测-B”会给爱因斯坦的理论再添一块基石，还是将从根本上改变我们对宇宙及时空的认识？
时间机器的狂想……
当我们开始科学地观测宇宙时，天文学家告诉我们：宇宙之大我们几乎无法想像。
银河系中像太阳一样的恒星约有2000亿颗，而宇宙中的星系，人类目前能观测到的大概为500亿到1000亿个。
物理学家认为，如果想遨游宇宙，靠目前的航天手段，甚至我们能够想像的航天手段都是不可能的，只能靠时空旅行。因为即便航天器提速到接近光速，要想到离银河系最近的仙女座星系，也要走230万年。
1997年，根据美国天文物理学家卡尔 萨根的科幻作品改编的电影《接触未来》被搬上银幕。
萨根讲述了一个人类与外星人接触的故事。外星文明通过无线电传授给地球人一种制造时间机器的方法，以在地球与天琴座α星之间建立通道。影片中，女主人公乘坐时间机器，飞速进入一条五彩斑斓的隧道中，来到天琴座α星。
天琴座α星即织女星，从地球到织女星以光速要走26年。而电影里所描述的旅程只有1秒钟，这就是利用了时空旅行的手段。
其实时间机器最早出现在1895年威尔斯的小说《时间机器》里，那时的设想只是作者的幻想。但10年后狭义相对论问世，又10年后广义相对论问世，这一设想开始有了一定的物理学根据。
狭义相对论横空出世……
100年前，爱因斯坦提出狭义相对论，并推断：如果人以接近光速旅行，那么时间对他来说就会停滞。
从古希腊甚至更早，人们就对时间进行了很多思考，但真正从科学上把时间和空间联系在一起，并提出一种时空理论，还是从1905年爱因斯坦的狭义相对论开始。
他首次提出，时间和空间不是彼此无关的。狭义相对论的核心是光速恒定。所有运动，甚至时间本身都必须与之相对应，由此爱因斯坦首次提出时间是相对的。
假设保罗正以光速的一半前进，奇妙的事情出现了，保罗前面的光波被压缩，他的影像变成蓝色，同时，保罗在运动方向中还会变瘦，这并不是视觉错误，接近光速时真会这样。当保罗驾摩托车向郊外驶去，他看到的一切都压缩到前方的小洞中去，减速时又一切恢复正常。接近光速还会有最奇特的现象，就是时间减慢。若我们以接近光速的速度前进，衰老的速度会比正常人缓慢。保罗感觉仅离开了几分钟，但在朋友眼中却已过了几十年。
时间变慢真的变慢了……
1971年，爱因斯坦在理论上的假想被科学家证实了。
1971年，物理学家理查德 基廷和乔伊 哈夫勒将4个极为精确的原子钟放在一架航行的飞机上。飞行之后，这些原子钟与地面的原子钟相比，的确慢了59纳秒。
这一实验不仅证明狭义相对论完全正确，也说明人们通过坐飞机来长寿，理论上是可行的，只是效果太微弱了。因为据计算，如果一个人一年都在飞机上飞行，他可以赚得5微秒。假设他活了80岁，从出生就在飞机上这样生活，当80岁死去时一共可以赚得400微秒，即0.0004秒。80年的飞行才赚得连一眨眼都不到的时间，实在是有点得不偿失。
但在粒子加速器里，狭义相对论所预言的时间膨胀效应就不那么微弱了。在美国有长达40公里的粒子加速器，当亚原子粒子穿越这个巨大装置时，它们可以被加速到光速的99.99%。在这样的速度下，时间变化十分明显。疾驰的粒子质量增加了，而在正常情况下寿命很短的粒子存在时间也大大增长。
回到未来了？……
表现时空旅行的科幻电影和小说层出不穷，大多对时间机器如何制造一笔带过。
但也有例外，如科幻喜剧《回到未来》可以说是时间机器制造大全。故事讲述高中生马丁和布朗博士是忘年交，博士为制造时间机器，偷了核原料作动力。就在实验时间机器时，博士不幸被恐怖分子杀害，而马丁则在逃命时驾着时间机器从1985年误回到1955年。由于时间机器损坏，马丁只好向30年前的博士求助，博士用闪电的能量把马丁送回1985年。
《回到未来》第三集中，博士和马丁在1885年重逢，决定使用火车头推动时间机器，他们又成功了，不过这在物理原理上是不可能的，因为按狭义相对论，你不可能超过光速，提供再大能量也只能接近光速。如果把10吨重的物体加速到光速的99.9%，需要100亿亿焦耳的能量，相当于世界上几个月所耗能量总和！无法超越光速，意味着没办法回到过去。关于时空旅行的理论依据，要在广义相对论的时候才出现。
虫洞理论——理论支撑……
广义相对论提供了虫洞理论，虫洞是沟通宇宙之间的细长时空管道。
1915年，爱因斯坦更为深奥的广义相对论问世，把引力、空间、时间这几者联系起来，预言引力会使时空发生弯曲。
1919年，人们通过观察日食发生时星光的变化，发现太阳引力的确会使星体光线发生弯曲。
对于时空旅行来说，广义相对论出现后产生的最重要影响就是提供了允许回到过去的虫洞理论。虫洞其实只是一个数学模型，关于它的各种设想都被视为是对爱因斯坦引力场方程的不同解答。
1935年，爱因斯坦和罗森在论文中根据场方程推出的通道，被称为爱因斯坦-罗森桥。在论文里这座桥是无法通过的，当飞船想通过桥时，桥就会断裂。
但1949年，奥地利数学家哥德尔通过计算发现，在某些特定情况下，桥不会断裂，广义相对论是允许人们可以回到过去的，这令爱因斯坦非常吃惊。
祖孙悖论——不可调和？……
然而，如果我们能够回到过去，就可能破坏因果律。
物理学家最早设想的例子就是祖孙悖论：说你如果回到过去遇见祖父，不慎害死了他，你就无法出生了。既然你不能出生，又怎么可能害死祖父呢？这样就构成一个悖论。
将祖孙悖论展示得最为生动的，当数电影《未来战士》系列：1984年，一个未来世界(2029年)的机器人杀手T-800来到洛杉矶，疯狂追杀青年女子莎拉 康纳。因为在1997年8月29日，地球将经历一场核灾难，30亿人死亡，此后电脑“天网”统治了地球。后来人类抵抗组织中一个叫约翰的天才青年成为首领，而他的母亲就是莎拉 康纳。为摧毁人类抵抗组织，“天网”派出杀手机器人回到过去。与此同时，约翰也派出一个战士回到过去，保护莎拉 康纳。这个战士不得不以血肉之躯与施瓦辛格扮演的杀手T-800殊死搏斗。更奇妙的是，他和莎拉 康纳之间产生了爱情，他成了约翰的父亲！
这一电影情节明显违背因果律。于是专家设想，只要有人能回到过去并干预历史，就会出现对因果律的破坏，为解决这个问题，新的理论平行宇宙出现了。
平行理论——新的曙光？……
对于平行宇宙理论，人们可以从某些物理学上找到微弱的支持。
霍金解释，时间旅行者回到过去改变历史后，时间线便出现分叉，分叉出来的时间线展开的是另一段历史。
量子理论的核心观念是大自然在微观层次上是不连续的，这和牛顿经典力学的理论截然相反。1994年3月，牛津大学的大卫 多伊奇发表论文《时间旅行的量子物理》，认为时间旅行的可能性是以量子力学的“多世界”理论为基础的。在亚原子世界里，量子的不确定性占主导地位，这种不确定性很可能造成宇宙的多重性。根据“多世界”理论，宇宙从一开始起就有无穷多个平行的世界。
有了平行宇宙的概念，时空旅行似乎就变得可行了。
虫洞是现在能够想像到的进行时空旅行的最便捷手段，理论上宇宙中可能存在某些虫洞，但我们现在没有找到发现它的途径。科学家设想人工来制造一个虫洞，但目前没有技术手段能够达到这一目标。
人造虫洞——快截方式？……
在科幻电影里人们却可以看到各种幻想出来的人工虫洞。
在电影《十二只猴子》中，主人公就是被塞入一个奇怪的洞中而进行时空旅行的。著名的系列片《星际迷航》里，人们一启动那道奇妙的光柱，就到了另一个宇宙或飞船上。而电影《救世主》中那把威力巨大的椅子，让人们能够在多重宇宙之间来去。
人们该如何看待这些想像，科幻电影真的是无稽之谈吗？专家认为，科幻电影中的想像不能当作无稽之谈看待，因为这些想像即使有的没有科学依据，但它会通过扩展人们的想像力来影响科学。
时间旅行，也许在下一代可以实现，也许永远只是个梦想。威尔斯在《时间机器》的结尾这样写道：人们除了惊叹别无选择。
扫盲开始：在物理学中，有些理论和假说是可以从某个层面来支撑时间旅行的。除了相对论，大概有以下五个方面。
1.平行世界
普林斯顿大学毕业生Hugh Everett（休-埃弗莱特）在1957年提出的一种观点。他指出“波函数坍塌”的假设完全是多余的。纯粹的量子理论实际上并不产生任何矛盾。它预示着这样一种情形：一个现实状态会逐渐分裂成许多重叠的现实状态，观测者在分裂过程中的主观体验仅仅是经历完成了一个可能性恰好等于以前“波函数坍塌假设结果”的轻微的随机事件。这种重叠的传统世界就是第三层多重宇宙。1954年，埃弗莱特向惠勒提交了两篇论文，多世界理论(有时也被称作“埃弗莱特主义-Everettism”)第一次亮相。
按照埃弗莱特的看法，波函数从未坍缩，而只是世界和观测者本身进入了叠加状态。当电子穿过双缝后，整个世界，包括我们本身成为了两个独立的叠加，在每一个世界里，电子以一种可能出现。但不幸的是，埃弗莱特用了一个容易误导和引起歧义的词“分裂”，他打了一个比方，说宇宙像一个阿米巴变形虫，当电子通过双缝后，这个虫子自我裂变，繁殖成为两个几乎一模一样的变形虫。唯一的不同是，一个虫子记得电子从左而过，另一个虫子记得电子从右而过。波函数无需“坍缩”，去随机选择左还是右，事实上两种可能都发生了！只不过它表现为整个世界的叠加：生活在一个世界中的人们发现在他们那里电子通过了左边的狭缝，而在另一个世界中，人们观察到的电子则在右边！量子过程造成了“两个世界”！这就是量子论的“多世界解释”(Many Worlds Interpretation，简称MWI)。
严格地说，历史和将来一切可能发生的事情，都已经实际上发生了，或者将要发生。只不过它们在另外一些宇宙里，和我们所在的这个没有任何物理接触。这些宇宙和我们的世界互相平行，没有联系，根据剃刀原理，这些奇妙的宇宙对我们都是没有意义的。多世界理论有时也称为“平行宇宙”(Parallel Universes)理论，就是因为这个道理。
大致来说，搞量子引力(比如超弦)和搞宇宙论等专业的物理学家比较青睐MWI，而如果把范围扩大到一般的“科学家”中去，则认为其怪异不可接受的比例就大大增加。在多世界的支持者中，有我们熟悉的费因曼、温伯格、霍金，盖尔曼等。如果MWI正确，那它对时间旅行学说最大的支持就是彻底解决了祖孙悖论。人们不必在对于这个怪圈而烦恼。
背景：波函数即薛定谔方程。
波函数坍塌源自于薛定谔的猫的争论。
是指每当我们一观测时，系统的波函数就坍缩了，按概率跳出来一个实际的结果，如果不观测，那它就按照方程严格发展。这是两种迥然不同的过程，后者是连续的，在数学上可逆的，完全确定的，而前者却是一个“坍缩”，它随机，不可逆，至今也不清楚内在的机制究竟是什么。这两种过程是如何转换的？是什么触动了波函数这种剧烈的变化？
在物理界里，有科学家甚至提出是人类意识导致了这个坍缩。从而蹦出个看上去十分唯心的“人择原理”。
2.哥德尔的证明
1949年库尔特-哥德尔发现了广义相对论允许的新的时空。这首次表明物理学定律的确允许人们在时间里旅行。他的时空具有一个古怪的性质：整个宇宙都在旋转。人们也许会问：“它相对于何物而旋转？”其答案是远处的物体绕着小陀螺或者陀螺仪的指向旋转。
这导致了一个附加的效应，一位航天员可以在他出发之前即回到地球。这个性质使爱因斯坦非常沮丧，他曾经以为广义相对论不允许时间旅行。然而，鉴于爱因斯坦对引力坍缩和不确定原理的无端反对，这也许反而是一个令人鼓舞的迹象。因为我们可以证明，我们生存其中的宇宙是不旋转的，所以哥德尔找到的解并不对应于它。它还有一个非零的宇宙常数。宇宙常数是当爱因斯坦以为宇宙是不变时引进的。在哈勃发现了宇宙的膨胀后，就不再需要宇宙常数，而现在普遍认为它应为零。然而，之后从广义相对论又找到其他一些更合理的时空，它们允许旅行到过去。其中之一即是旋转黑洞的内部。另外一种是包含两根快速穿越的宇宙弦的时空。
宇宙常数λ：
现在认为如果宇宙是超对称的，宇宙常数应该是0，被对称性抵消了，但是目前观测发现，宇宙常数不应该是0，这就标志着，宇宙的对称性破缺了，看来爱因斯坦确实太厉害了。他曾经认为宇宙常数λ是他一生中最大的错误。看来他的“错误”真的要好好研究，说不定就是真理。
哥德尔其人：
哥德尔（Godel）一般被认为是亚里士多德以来最伟大的逻辑学家（或许还加上一个弗雷格，他是现代逻辑的创始人）。因证明了不完备性定理而名震天下。他有几个主要的贡献：一阶逻辑的完备性定理，哥德尔第一、第二不完全性定理、连续统假设与ZF公理集合论的协调、旋转宇宙里时间旅行的可能、把莱布尼兹的上帝存在论证明转化为逻辑形式。在他的晚年，他对哲学产生了深厚的兴趣，尤其是康德、莱布尼兹和胡塞尔的哲学理论。
3.虫洞
固有观念认为两点之间直线最短。一个小虫子想从一个立方体表面上一点爬到另一点的最短距离就是是把立方体表面展开为平面，以两点为端点的线短的长度。
但是，如果小虫子从立方体的一面蛀一个虫洞，通向目的点，不是比”最近”路线更近吗？”虫洞”一词由此而来。据说是某科学家讨论的时候用个苹果做的示范。
相对论表明空间在重力场中被扭曲，扭曲的空间平面就像一张被折成一定程度的纸，我们从纸上的一点到另一点的最短距离不是沿纸的线短的长度，而是可以制造一个通过纸的“虫洞”，直达目的地。
简单的印象可以这么理解通过虫洞即时间旅行。连接黑洞和白洞，成为一个爱因斯坦——罗森桥，将物质在黑洞的奇点处被完全瓦解为基本粒子，然后通过这个虫洞（即爱因斯坦——罗森桥）被传送到这个白洞的所在，并且被辐射出去。
4.退相干理论
1970年，穆雷-盖尔曼提出一种新的理论——退相干理论。所有可能的历史都是相干的，即关联，同时发生的。
假如我们把宇宙的历史分得足够精细，那么实际上每时每刻都有许许多多的精粒历史在“同时发生”（相干）。比如没有观测时，电子显然就同时经历着“通过左缝”和“通过右缝”两种历史。但一般来说，我们对于过分精细的历史没有兴趣，我们只关心我们所能观测到的粗粒历史的情况。因为互相脱散（退相干）的缘故，这些历史之间失去了联系，只有一种能够被我们感觉到。
退相干理论是MWI的一个有力补充。
5.路径积分
伟大的费因曼在1942年发表的一种量子计算方法。路径积分是一种对于整个时间和空间求和的办法，当粒子从A地运动到B地，我们把它的轨迹表达为所有可能的空间和所有可能的时间的叠加！我们只关心它的初始状态和最终状态，而忽略它的中间状态，对于这些我们不关心的状态，我们就把它在每一种可能的路径上遍历求和，奇迹在这个时候发生，最后这些路径往往会自相抵消掉。
以上几点是关于时间旅行的基本理论、假说的介绍。如果哪位朋友对以上理论十分清楚，那么估计物理学的博士学位对你来说不是什么难事了。
最后总结
我认为尽管相对论从方程上支持了时间旅行，而量子论在一些方面也提供了解决历史问题的假设和理论，时间旅行（回到过去）在我看来是永远也不会发生的。直觉告诉我，即使目前所有的假设都正确，那么当我们准备时间旅行时，我们会突然发现，哦，原来还有个不可琢磨的东西阻挡在你的面前。
那么走进未来呢？以现在为起点，接近光速旅行一段时间，你会以一个几乎不变的状态来观看将来，似乎是可行的。但是谁知道，会不会
出现历史错乱呢？
我们生活在一个4维的世界中，其中3维是空间，1维是时间。时间是一个很奇妙的东西，它似乎和另3维空间有着非常大的不同，最关键的一点是，它似乎是有方向性的！就空间而言，各个方向没有什么区别，你可以朝左走，也可以向右走，但在时间上，你只能从“过去”向“未来”移动，而无法反过来！虽然有太多的科幻故事讲述人们如何回到过去，但在现实中，这从来也没有发生过，而且很可能永远不会发生！
我们目前的认识，所有的理论都是关于时间对称的，并没有沿着时间进行的，即它们都没有表示出时间的箭头。
哥德尔定理告诉我们，我们永远无法证明一个系统中，用于表述系统的所有公理的正确性，从某种意义上讲，就是连我们认为最最严密的数学，在一定层面上也是不够完美的。在晚年，他曾经说：如果你想知道什么是完美的，那也许只能靠你的直觉。
霍金有句名言：历史是保留的，我们无法回到过去，并且去改变些什么。
或许科学到达极至时，我们真的会发现，宇宙中，关于时间旅行就是个永久的梦想！因为它实在牵扯太多了，生命、哲学、宇宙、或许还有那谁也不可能知道的“幽灵”！
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