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英国一科学家正在设计一台能穿越时空的机器

来源:网络资源 2009-09-02 13:19:49

[标签:物理 物理教材]

  英国一科学家正在设计一台能穿越时空的机器

  “时间旅行是可行的,而且我们知道如何去完成它。”保罗-戴维斯(PaulDavies),这位或许是继斯蒂芬-霍金(StephenHawking)之后最知名的物理学家一边这样说,一边把我们请进他位于悉尼的办公室,他目前在澳洲工作和生活。为了与他会面,本刊记者一直飞到了澳大利亚,因为这位英国科学家已经构想出了世界上第一台时间机器,并在他最新出版的书中描述了制造这台机器的方法。

  时间机器当然还没有被造出来,因为还有一些尚待解决的技术和政治问题。不过这部机器所需的大部分零件已经散布在世界上最先进的研究实验室里了。

  保罗-戴维斯身着方格衬衫,头发和胡子梳理得整齐讲究,表情坚定自信,让人一眼就能看出是个典型的英国人。他在谈起时间旅行就像在谈论一个人们仅仅因为懒惰而没有去充分利用的机会,好像这台机器已经准备就绪,只等首批“时间旅行家”去驾驭它。

  相关理论源自这样一个观念:像三维空间一样,时间是一个可变的维数。这也是1905年爱因斯坦提出的《相对论》的核心思想,在戴维斯看来,正因为这样,我们已经掌握了时间旅行的公式将近一个世纪。

  人们如何才能进行时间旅行呢?

  “相对论为我们提供了在未来时光中旅行的两种方法。一个是以高速进行运动,由于这种运动而造成的时间扭曲,狭义相对论对此做出了解释。如果我们有一艘速度达到光速99.99999%的飞船,就可以在6个月内进入公元3000年。”这种旅行是相对论的结果,它与著名的“双生子佯谬”有关,也是爱因斯坦理论的一个直接结果。孪生兄弟中的哥哥以接近光速开始其太空旅行,而弟弟留在家里。哥哥到达10光年以外的目的地之后立即以同样的速度返航。

  对于留在地球上的弟弟来说,时光流逝了20年,也就是哥哥以近光速旅行所花去的时间。但对于旅行中的哥哥来说,时光流逝的速度却要慢得多。事实上,相对论告诉我们,时间会随着速度的增加而放慢步伐。对于哥哥来说时间仅仅过去了3年,当他回到地球上时,就会发现自己已经跨进了17年后的未来时光中。

  按照这些理论,人们能够以非常接近光速的速度旅行,但实际上可以达到这么高的速度吗?

  在这方面没有任何禁区,只是一个成本问题。为了把一个10吨重的负载加速到光速的99.9%,需要使用100亿亿焦耳,这相当于全人类几个月的能源生产总量。”

  进一步接近每秒30万公里速度的成本当然会更高。

  因此,只要我们拥有必要的资本就可以向未来出发?

  “我不排除我们能做到这一点,在太空中有取之不尽用之不竭的能源,只要我们去开发它们。这实际上成了一个政治问题:做出对太空进行必要的技术研究和开发的决定,以便使人类能够利用宇宙中大量的能源。但是还有另外一个问题:以高速系统进行的时间旅行或许只能进入未来却没有办法回来。事实上,假如我们的超级宇宙飞船到达了公元3000年后再返航,有可能只会在地球的未来时光中又跨出了一大步。”

  这是因为时间旅行并不取决于运动的方向,而只取决于它的速度。

  相对论提供的另一个时间旅行的方法是什么?

  “这个方法是爱因斯坦1908年以广义相对论提出来的,这个理论将狭义相对论进行扩展,其中包含了重力对时光产生的多种效应。新理论令人惊讶的结论在于重力会使时间放慢,而我们也可以验证这一点,比如地球的重力每300年可以让钟表慢1微秒。1976年,物理学家罗伯特-维索特(RobertVissot)和马丁-列文(MartinLevine)向太空中发射了一枚载有时钟的火箭,他们观察到这个时钟与放置在地球上同样的时钟相比,多获得了1/10微秒。为了在未来的时光中旅行,只要利用那些强度远高于地球重力的引力场,比如中子星的引力场。中子星是那些在耗尽自身的燃料之后,由于受自身质量的影响而收缩到只相当于原来体积很小一部分的天体,但它们的总体质量仍维持在一个很高的水平;其中一些中子星仅比地球上的一座城市大一点儿,但其质量却超过了太阳。它们自身强大的重力使其原子变成了一堆中子,这种重力作用会产生比地球重力影响要明显得多的时间扭曲:中子星上的7年相当于地球上的10年,因此,只要让我们的飞船到达这样一颗中子星上(比如位于巨蟹星云中的那一颗)就会在未来的时光中迈出一大步。但问题是我们如何能造出一艘能抵抗中子星附近极其恶劣条件的飞船来。在这种情况下,我们同样也无法从未来时光中返航。”

  假如我们想进入过去的时光中呢?

  “相对论也允许在过去的时光中旅行。对于广义相对论来说,时空可以被弯曲到与其自身联接的地步,因此可以在时间和空间中创造‘封闭曲线’。

  第一个勾划出封闭时间曲线的人是爱因斯坦的一个朋友、奥地利数学家库尔特·戈德尔(KurtGoedel)。他在解算相对论中关于引力场的方程式时,发现在空间中可以找到一条通向旋转着的宇宙的螺旋体轨道。不过他解出的方程式答案需要假定宇宙处于旋转状态,而今天人们却认为宇宙并不旋转。但他的功劳在于证明了相对论并不排除物质的一个粒子,从理论上也包括人类,可以到达过去的时光以及从将来的时光中返回。”

  事实上,戈德尔写道:“乘座一艘飞船沿着一条足够宽广的航线往返旅行,我们可以到达过去、现在以及未来时光中的任一个地区并返回。”在看完朋友解方程式的结果后,爱因斯坦也承认,在构思广义相对论的过程中,这种时空中存在可让人回到过去的封闭曲线的可能性曾折磨了他很久。

  但是戈德尔的想法建立在一个错误的前提上,即宇宙是旋转的。这样的话,我们又该如何进入到过去的时光中呢?

  “戈德尔提出的旋转说法并不是我们拜访祖先的惟一手段。最新的理论当中就有‘虫洞’说(wormhole),这是给黑洞起名的美国天文物理学家约翰·维勒(JohnWheeler)提出来的。虫洞是空间结构中的一条捷径,它可以在光到达之前将两个非常遥远的点联接起来,因此这也是通过一条捷径进入过去时光的一个方法。”

  光速实际上是一个无法逾越的极限,任何物体,甚至包括信息也无法以更快的速度运动。所以,如果我们能够抢先在出发地的信息到来之前到达某个地方,那我们就可以说完成了一个进入过去时光的旅行,这是因为我们刚到目的地不久,我们的过去就会追上我们,或者更精确地说,是我们出发时那个时刻的信息追上了我们。可是如果信息是以光速旅行,我们又能如何在它之前到达某个地点呢?我们走一条光不认识的捷径,走更短的路。这就是虫洞的含义所在:它是联结宇宙中两点的、光无法通行的捷径。但是人们能随心所欲地制造虫洞吗?

  从科学幻想到科学

  在由美国天文物理学家卡尔·萨根(CarlSagan)于上世纪80年代创作的小说《接触未来》(Contact)中,一组科学们收到了一个来自外星人更先进文明的无线电信息,这个信息包含的内容指导人类制造一台机器,它可在地球与相距26光年的天琴座α星之间建立一个虫洞。这部小说后来被改编为同名电影,由朱迪-福斯特(JudyFoster)担任主角。

  在电影中,女主人公登上了一艘飞船,它被一个类似巨型离心机的涡轮吞没,然后飞船飞速穿过一条隧道,在几分钟内就来到了天琴座α星所处的银河系中心。在小说中,萨根并没有进一步描述制造那样一条时光隧道的细节,为此他请教自己的朋友、加州理工学院的理论物理学家基普·索恩(KipThorne),自己在小说中关于利用虫洞作为穿越时空捷径的幻想是否有理论依据。在萨根科学幻想的激励之下,索恩及其合作者们开始研究这种可联接两个遥远时空区域的虫洞的功能细节。最后他们成功地创建了虫洞的理论模型,这些虫洞保持开放的时间,足以让“时光飞船”穿越它们而又不会让其内部巨大的重力将飞船摧毁。

  需要某种能抵抗重力、保持虫洞畅通的东西。索恩的解决办法就是反重力,反重力物质(广义相对论实际上对此也有过论述)可以让虫洞保持畅通。索恩及其同事们创建的模型与众所周知的物理学理论没有任何对立之处,这项探索还引发了大量延续至今的研究。

  在这些研究中就包括保罗·戴维斯的构思,他想制造一台能在实验室里创造虫洞的机器,它们是进行时间旅行所必需的通道。

  时间旅行的悖论

  可在过去的时光中旅行的可能性引发了一些真正的、令人着迷的、从表面上看又无法解决的矛盾。最简单的就是:一名时间旅行者回到了过去,杀死了当时还是个女孩的亲生母亲,可这样一来,他却无法出生也就无法完成这个谋杀了。这些矛盾让因果关系概念陷入困境,建立在因果逻辑关系上的科学也同样难以立足。斯蒂芬·霍金以他的“时序保护臆测”给这个问题划上了一个句号:自然界总会找到一个阻止人们到过去的时光中去旅行的办法。

  保罗·戴维斯则相信随后的事件可以影响先前的事件,但前提是只有那些没有因果关系的事件之间才能形成一些闭合的时间线。比如,一位富豪的财富来自于1个世纪前帮助过他曾祖母的施恩者,他乘时光飞船到过去的时光中去寻找这位好心人,在见到曾祖母之后他向对方说明自己是个时间旅行者,为使对方相信,他给曾祖母看了一张他从未来时光带来的报纸,曾祖母看到了报纸上面的股票价格后开始投资股市并因此而给后代带来巨大财富,富商终于明白自己就是那位施恩者。这个例子对于戴维斯来说并不是一个问题,但弑母的那位时间旅行者带来的难题就无法解决了,任何人都不可能杀死自己的先辈。时间旅行问题专家大卫·多伊奇(DavidDeutsch)则用量子物量学的一些定律来解答这些矛盾。在亚原子世界里,量子的不确定性占主导地位:一个电子撞击一个质子既可能转向左边也可能转向右边,其间并无规律可循。在一些物理学家看来,这种不确定性造成了宇宙的多重性,每次一个电子转向右边的时候就和一个转向左边的电子形成一个新的宇宙。在多伊奇看来,前述的矛盾可以同样的方式来解决:如果时间旅行者干预了历史,宇宙就会分成两个或更多的分支,那个被杀死的母亲就会到另一个平行的宇宙里,而不会进入到弑母者归属的那个宇宙中。

 

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