時間旅行 @ t458686999的部落格

【時間旅行的定義】
時間旅行是一種科學幻想活動，指人離開現在而置身于未來或過去。在科幻作品中，時間旅行是最令人激動的想法之一。登上時間機器，一個人就可以利用控制系統確定任何一個日期（過去或未來），然後時間機器就可以在瞬間將他帶到那個時代，科學家認為即使這成為現實，人們也只能作為一個遊客，而不能改變歷史。在時間機器中，一個人的年齡會同進入機器時的年齡一樣。科學家認為，時間旅行不可能成為現實，畢竟我們還沒有見過乘坐時間機器來自未來的訪客。
在現有的科學體系下，時間具有嚴格的單向性。在所有的物理定律中，只有熱力學第二定律帶有時間方向箭頭，這就給人一種時光流淌消逝不再的感覺。因此回首檢閱過去，或者提前觀瞻未來，成為人類的一個永恆夢想。
【相對論】
目前，人們對時間最完善的理解來自愛因斯坦的相對論。在相對論問世的1905年，愛因斯坦在他的相對論中說：時間是相對的，當我們以接近或超過光速的運動的時候，時間會很慢或靜止，也就是說，如果一個人以接近光速旅行，那麼時間對他來說就會停滯，這太令人振奮了，當人乘坐接近光速的飛船去旅行，在旅行的過程中時間就會變慢，因此，當他再回到地球的時候就可能已經過了一個世紀。對他來說，只要花很少的時間就能進入未來世界。之前，時間被廣泛地認為是絕對的和普遍的，不管人的運動狀態如何，時間對於每個人都是一樣的。但是，1905年愛因斯坦的狹義相對論指出：
【時間旅行的可能性】
時間旅行的可能性在理論物理研究領域一直被很嚴肅地探討著。
H?G?威爾斯在《時間機器》中探討了這些可能性，正好像其他無數的科學幻想作家那樣。科學幻想的許多觀念，如潛水艇以及飛往月亮等等都被科學實現了。那麼，時間旅行的前景如何呢？
1949年庫爾特?哥德爾發現了廣義相對論允許的新的時空。這首次表明物理學定律的確允許人們在時間裏旅行。哥德爾是一名數學家，他因證明了不完備性定理而名震天下。該定理是說，不可能證明所有真的陳述，哪怕你把自己限制去證明在像算術這麼一目了然而且枯燥的學科中所有真的陳述。這個定理也許是我們理解和預言宇宙能力的基本極限，然而迄今它還未成為我們尋求完整統一理論的障礙。
哥德爾在和愛因斯坦於普林斯頓高級學術研究所度過他們晚年時通曉了廣義相對論。他的時空具有一個古怪的性質：整個宇宙都在旋轉。人們也許會問：“它相對于何物而旋轉？”其答案是遠處的物體繞著小陀螺或者陀螺儀的指向旋轉。
這導致了一個附加的效應，一位太空人可以在他出發之前即回到地球。這個性質使愛因斯坦非常沮喪，他曾經以為廣義相對論不允許時間旅行。然而，鑒於愛因斯坦對引力坍縮和不確定原理的無端反對，這也許反而是一個令人鼓舞的跡象。因為我們可以證明，我們生存其中的宇宙是不旋轉的，所以哥德爾找到的解並不對應於它。它還有一個非零的宇宙常數。宇宙常數是當愛因斯坦以為宇宙是不變時引進的。在哈勃發現了宇宙的膨脹後，就不再需要宇宙常數，而現在普遍認為它應為零。然而，之後從廣義相對論又找到其他一些更合理的時空，它們允許旅行到過去。其中之一即是旋轉黑洞的內部。另外一種是包含兩根快速穿越的宇宙弦的時空。顧名思義，宇宙弦是弦狀的物體，它具有長度，但是截面很微小。實際上，它們更像在巨大張力下的橡皮筋，其張力大約為1億億億噸。把一根宇宙弦系到地球上，就會把地球在1/3O秒的時間裏從每小時零英里（1英里= 1.609公里）加速到每小時60英里。宇宙弦初聽起來像是科學幻想物，但有理由相信，它在早期宇宙中可由對稱破缺機制而產生。因為宇宙弦具有巨大的張力，而且可以從任何形態起始，所以它們一旦伸展開來，就會加速到非常高的速度。
哥德爾解和宇宙弦時空一開始就扭曲，使得總能旅行到過去。上帝也許會創生了一個如此捲曲的宇宙，但是我們沒有理由相信他上帝會這樣做。微波背景和輕元素豐度的觀測表明，早期宇宙並沒有允許時間旅行的曲率。如果無邊界設想是正確的，從理論的基礎上也能導出這個結論。這樣問題就變成：如果宇宙初始就沒有時間旅行所必須的曲率，我們能否隨後把時空的局部區域捲曲到這種程度，以至於允許時間旅行？
快速恒星際或星系際旅行是一個密切相關的問題，也是科學幻想作家所關心的。根據相對論，沒有東西比光運動得更快。因此，如果我們向我們最近鄰的恒星α-半人馬座——發送空間飛船，由於它大約在4光年那麼遠，所以我們預料至少要8年才能等到旅行者們回來報告他們的發現。如果要去銀河系中心探險，至少要10萬年才能返回。相對論確實給了我們一些寬慰。
因為時間不存在惟一的標準，而每一位觀察者都擁有他自己的時間。這種時間是用他攜帶的時鐘來測量的，這樣航程對於空間旅行者比對於留在地球上的人顯得更短暫是可能的。但是，這對於那些只老了幾歲的回程的空間旅行者，並沒有什麼值得高興的，因為他發現留在地球上的親友們已經死去幾千年了。這樣，科學幻想作家為了使人們對他們的故事有興趣，必須設想有朝一日我們能運動得比光還快。大部分這些作家似乎未意識到的是，如果你能運動得比光還快，則相對論意味著，你能向時間的過去運動，正如以下五行打油詩所描寫的那樣：
　　有位年輕小姐名懷特，
　　她能行走得比光還快。
　　她以相對性的方式，
　　在當天剛剛出發，
　　卻已在前晚到達。
關鍵在於相對論認為不存在讓所有觀察者同意的惟一的時間測量。相反地，每位觀察者各有自己的時間測量。如果一枚火箭能以低於光的速度從事件A（如 2012年奧林匹克競賽的100米決賽）至事件B（如α-半人馬座議會第100，004屆會議的開幕式），那麼根據所有觀察者的時間，他們都同意事件A發生於事件B之先。然而，假定飛船必須以超過光的速度才能把競賽的消息送到議會，那麼以不同速度運動的觀察者關於事件A和事件B何為前何為後就眾說紛紜。按照一位相對於地球靜止的觀察者，議會開幕也許是在競賽之後。這樣，這位觀察者會認為，如果他不理光速限制的話，該飛船能及時地從A趕到B。然而，在α-半人馬座上以接近光速在離開地球方向飛行的觀察者就會覺得事件B，也就是議會開幕，先於事件A，也就是百米決賽發生。相對論告訴我們。對於以不同速度運動的觀察者，物理定律是完全相同的。
這已被實驗很好地檢驗過。人們認為，即使用更高級的理論去取代相對論，它仍然會被作為一個特性而保留下來。這樣，如果超光速旅行是可能的，運動的觀察者會說，就有可能從事件B，也就是議會開幕式，趕到事件A，也就是百米競賽。如果他運動得更快一些，他甚至還來得及在賽事之前趕回，並在得知誰是贏家的情形下放下賭金。
要打破光速壁壘存在一些問題。相對論告訴我們，飛船的速度越接近光速，用以對它加速的火箭功率就必須越來越大。對此我們已有實驗的證據，但不是空間飛船的經驗，而是在諸如費米實驗室或者歐洲核子研究中心的粒子加速器中的基本粒子的經驗。我們可以把粒子加速到光速的99．99％，但是不管我們注入多少功率，也不能把它們加速到超過光速壁壘。空間飛船的情形也是類似的：不管火箭有多大功率，也不可能加速到光速以上。

讓我們設想這樣的情況:一位宇航員駕駛著太空船, 以相對與一位靜止觀察者240,000公里/秒的速度飛行,飛船又以240,000公里/秒的速度朝前方射出了一個物體.按照一般常識.靜止觀察者可以把兩個速度相加而得到被發射物體的速度,那應該是480,000公里/秒.但是,這個速度要比光速(299.725公里/秒)還大,按照愛因斯坦的狹義相對論,這是不可能的.根據相對論公式,靜止觀察者測量到的射出物體的速度應當是292,470公里/秒,只比飛船的速度大52,470公里/秒.速度怎會丟失呢?要回答這個問題,必須對時空本質進行一番研究.從這樣的研究中,我們可以得到啟示,有朝一日我們能通過時間,往返進行終極旅行.
近代時空觀
經典的概念,把時間看作象江河那樣川流不息, 而與人類活動無關;但是,認為時間能加快,延遲或改變的說法是不對的.無情流逝的年華必竟是絕對,客觀的.
近代物理學家在研究可以壓縮和拉伸的所謂彈性時間問題,他們也在談論時間凝固和不存在的一些離奇的地方.
根據愛因斯坦相對論,當太空船的速度接近光速時,宇航員的動作會顯得很遲鈍,他的表要走慢, 他的尺子要變短,用地球上的時間來衡量,他非得每一分鐘都變長了.這就是時間膨脹的含義.飛船越接近光速,宇航員的表就走得越慢,尺子也變得越短. 如果他能達到光速,那麼,他的尺子將會縮短到零,時間也就會完全停止.
由於存在這些奇特的效應,宇航員用縮短的尺子和走慢的表(現在,他的一分鐘等於兩分鐘)測量的射出速度,自然就會得出比靜止觀察者用"正常"度量單位測量的大得多.而在宇航員看來,他的表和尺子都很正常,似乎倒是宇宙裏別人的速度在減慢,長度縮短了.
在進一步,如果能以超光速飛行的話,時間就會倒退.在這種情況下宇航員旅行會來的日子就會在他離開的日子之前.這似乎是絕對不可能的,但是,在某種情況下,卻正是將要出現的事實!
相對論的時間概念說明了時間的伸縮性由觀察者的運動狀態所決定.上述太空船發射物體的例子就是一個簡單的,業已證明的彈性時間的例證.根據相對論的理論,這種情況之所以可能,是因為空間和時間緊密相關,它們不能相互脫離而存在.
1915年愛因斯坦將狹義相對論擴展到廣義相對論, 他指出:在巨大品質附近,空間會彎曲.這種彎曲會影響物體的運動,顯示它是一種力,在這裏就是引力.光是能量的一種形式,也有品質,在引力場中會彎曲.1919年丁頓發現星? 通過太陽近旁時彎曲,證明了在巨大質量的周圍時空的確會發生彎曲,後來,通過使用高精度原子鐘,科學家證明了處於引力場中的時鐘會的確會走慢.當然,這個效應是如此之小,以至在離地球表面一英裏處,時鐘每二十萬年總共才慢一秒鐘.
時間旅行
上述所講的空間彎曲的效果是微小的,對未來的時間旅行不會有什麼價值.但是,我們從中已經看到了引力和時間是密切相關的.從現實意義上講,我們需要找到強得多的引力源.我們知道,那些核燃料消耗殆盡的恒星,由於自身強大的引力而塌縮,就形成了初始品質不同的三類天體:白矮星,中子星和黑洞.這些超緻密壓縮的恒星物質核可能就是通向宇宙遙遠角落的大門,同時也可能就是通往遙遠未來和古老過去的時間之扉.三者之中最有希望為時間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於三倍太陽的品質,內部的引力將壓倒一切阻力而繼續塌縮,以致使其密度和引力場大到任何東西都無法逃逸,甚至光.當品質十倍於太陽的恒星,塌縮至半徑等於18英里時,上述情況就會發生.這個半徑所決定的球面邊界稱為"出事線".由於沒有什麼力量阻止,恒星還要繼續塌縮,在若干分之一秒內,所有品質縮成一個無限小的點--"奇點".在奇點上,時間和空間已不復存在.在宇航員看來,時間很正常,只不過引力漲落使他感到很不舒服.他徑直不斷地加速,在越過"出事線"後,只經過一百萬分之六十七秒,就闖入了"奇點",自身也就不復存在了. 正當我們勇敢無畏的宇航員越過"出事線"前的瞬間, 他將發現整個宇宙和其中所有的時鐘都在瘋狂地加速, 每秒相當於十億年.就在他越過"出事線"之時,宇宙的整個未來都將在他的眼前閃過.這就是一種單向旅行的方式,在這種情況下,宇航員永遠不能再回到他出發前的那個時刻了. 個時刻了. 什麼是雙向時間旅行呢?前面已經講過,任何物體只要加速到接近光速,時間就會出現崎變.設想一位宇航員在22歲生日那天,以98%的光速飛向25光年處的星球,當他回來時,他將發現自己正好來得及過32歲生日.越是接近光速這個效應越明顯.比如,當速度達到光速的99.999%時, 我們宇航員就能在幾年時間內跑遍整個銀河系,而在地球上已度過了30萬年!如果是用火箭加速器來進行這次旅行的話,所消耗的能量將為地球整個歷時消耗能量的數百萬倍,不過,從理論上看,這卻是完全可能的. 通過時間膨脹單城進入未來(已由高能物理實驗作出了充分而被視為確定的事實),再通過某種途徑回到我們的宇宙來完成時間旅行.雖然這種形式不容易為大多數人所接受,但他已經向我們透露了宇宙的真正奇妙之處,並向我們打開了通向更加奇異的效應的大門.
時間旅行的可能性
宇宙中所有的星球都在旋轉,而塌縮時卻越轉越快, 因此可以認為,不旋轉的黑洞是極其稀有的,而旋轉黑洞對時間旅行家來說,又有許多文章可做. 理論預測指出如果黑洞品質足夠大的話,人們能穿越黑洞的出事線,進入另一個宇宙而不受損害.依所取的路線不同,宇航員可進入未來宇宙或過去宇宙,一個由負空間和反引力構成的宇宙,或是在不同的時間進入我們自己的宇宙. 這些奇異的效應是實在的嗎?是沒有任何現實意義的數學增根嗎?設想有一個木匠要算出一間面積為256平方英尺的正方形房間的邊長,答案當然是16,亦即256的平方根. 但256的平方根可以是+16,也可以是-16.由於-16英尺沒有什麼實際意義,因此這位木匠選用了正值.他這樣做是不加思索的只有物理學家和哲學家對此要思考一番. 哥倫比亞大學範因堡研究了相對論以後指出,相對論公式並不排除超光速旅行,不允許發生的只是以光速飛行. 由於我們都生活在亞光速的世界裏,因而都被不可逾越的光障禁錮在現有的狀態中. 但是,一道屏障總有兩面.設想有一類粒子全都以超光速運動而存在,光速是超光速粒子的下限,因為最低能態意味著以無窮大速率運動.當然,我們感興趣的是超光速粒子與時間的關係.正如我們接近光速時時間變慢一樣,超光速粒子也是這樣,不過有一點不同,在超光速粒子世界裏,時間甚至可以倒退.有的物理學家認為超光速粒子不過是數學異常,因而應予摒棄,正如-16英尺對木匠來說毫無意義一樣.
時間旅行的可能性(2)
有沒有證據證明超光速粒子的存在呢?1973年克雷和克羅許兩位科學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生碰撞後產生的.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生出來,那麼它們將比宇宙射線先到達地面,因為宇宙射線接近光速.在對 1000例宇宙線雨研究之後發現事實正是如此.在宇宙射線達到之前.確乎測到了某種東西,這雖然還不能證明超光速粒子的存在,但暗示了這個方向. 還可以進一步的推想,如果超光速粒子存在的話,那麼,反超光速粒子就會存在.物理學家費恩曼曾經指出,正電子可以看作時間上倒退的電子.這樣看來,反超光子就是沿時間向後運動的超光速粒子. 有些物理學家還預測,在光障的另一面存在著超光速粒子世界,而不必經歷光速運動的階段.在超光速粒子世界裏,我們將能突然穿越時間和空間,然後按我們選定的時間和地點,潛回我們的宇宙.這一設想我們可以用電子器件中的電子運動狀態比擬.電子器件中,電子從低能態躍遷到高能態時,一般都需通過中間狀態,但在隧道二極體中情況就不同,電子從勢壘的一邊到另一邊可以直接穿越勢壘,即所謂的隧道效應. 另外,量子物理指出,物質和能量都是不連續的,是一份一份的,而宇宙就是由這些小的份額組成的,時空本身是否也是這樣的呢?如果把時空量子化,就能避免發生與黑洞有關的一些問題.即使是這樣,仍然存在著時間連續更加激動人心的可能性. 我們目前正處於科學的異常奇異的門檻上,我們通過理論物理學的狹縫,看到了一些回答上述問題的出路.宇宙遠比我們想像的梗奇特,對於雙向時間旅行, 數學不但為它提供了一席之地,而且向我們預示了未來的方向！