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时空旅行有可能实现吗?看看科学家的说法!

时空旅行一直是科幻电影或小说的常用题材,从《星球大战》的虫洞到《终结者》的时空穿越,这给了现实中的人们对生活的美好想想。那么时空旅行究竟能否在现实生活中真正实现?

时空旅行有可能实现吗?看看科学家的说法!

1895年,英国著名小说家赫伯特·乔治·威尔斯发表了他的第一部小说《时间机器》,此同时,伟大的牛顿物理时代也走向尾声。1905年,阿尔伯特·爱因斯坦发表了狭义相对论,这让艾萨克·牛顿的理论遇到麻烦,在爱因斯坦的理论中,许多在牛顿构建的世界下不可能发生的事情都有了转机,比如飞向未来的时间旅行,威尔斯因此高兴不已。

成为现实的时空旅行者

牛顿的宇宙理论认为时间在任何一个地点都是恒定的:它永远不会加速,也不会减速。但爱因斯坦看来,时间是相对的!时间旅行不仅是可能的,而且它已经实实在在地发生了!比喻俄罗斯宇航员谢尔盖·克里卡列夫,普林斯顿大学天体物理学家J·理查德·戈特认为克里卡列夫是迄今旅程最长的时间旅行者。

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爱因斯坦证明相比较那些静止的物体而言,运动物体的时间流逝会更慢一些。1971年,科学家将原子钟放在飞机上进行环球飞行,再将之与留在地球上运作的原子钟作比较,如爱因斯坦预计的,两个时钟再不一致,两者相距尽管只有数千亿分之一秒。这位俄罗斯宇航员在和平号空间站中呆了803天,所以当他以27,359千米/小时的速度在轨道上运动时,时间流逝的速率与地球上的并不相同。当克里卡列夫在空间站时,他比那些地球上的伙伴们年轻了1/48秒。换而言之,他向未来穿行了1/48秒。

物体长距离高速运动越快,时空旅行效果越明显,如果克里卡列夫在2015年离开地球,并以光速的99.995%在猎户座的恒星参宿四与地球之间做一趟来回飞行。当他回到地球时仅仅老了10岁,但是非常遗憾的是,他认识的所有人都早已去世,因为地球上已经过了1000年,那时地球已是3015年了。天体物理学家戈特说:“我们已经知道,我们可以做到向未来飞越,这仅仅是钱和工程技术的问题。

时间回到过去要难的多

尽管实践时空旅行时有很多困难,但是向前穿越几个纳秒是很容易直观理解的,然而回到过去就难得多。爱因斯坦的狭义相对论开始并不支持向过去穿越,后来在广义相对论中,他取消了这个限制,但回到过去比穿越未来要难的多。广义相对论有很多方式,不用的方式会赋予宇宙不同的性质,只有特定的方式才能创造回到过去的条件,但我们不确定我们的宇宙拥有哪种方式。爱因斯坦的理论支持我们时空旅行回到过去,但是我们的宇宙本身会不会通过某种方式阻止这样的旅行?

物理学家一直思考着这些问题,并不是因为想着某天时空旅行越能成为现实,而是因为思考时间穿越的可能性,能让我们对自身居住的宇宙有更深入甚至意想不到的认识,比如最初它是怎么产生的?

时空扭曲效应:不一样的时间

科幻小说家威尔斯很有先见性地认为,我们生活在一个由三维空间和一维时间交织在一起的四维时空当中。而爱因斯坦的狭义相对论在某种程度上让威尔斯十分欣喜,因为它让时间有了延展性。爱因斯坦证明,当一个时钟快速地经过一个静止的人时,运动时钟要比这个人身旁的静止时钟走得慢,同时快速运动的尺子长度也会缩短。而对与时钟和尺子按照同一速度运动的人来说,时间的推移和尺子的长度都是正常的。

在低速下运动时,狭义相对论的时空扭曲效应是可以忽略不计的。但是对于运动速度接近光速量级的物体而言,这种效应是真实存在的。许多的实验已经证实,一种叫做μ介子的不稳定粒子在以接近光速运动时,衰变速率减慢了一个数量级。实际上这种高速运动的μ介子,就是缩小版的时空旅行者。

哥德尔的奇异宇宙:能让时间回到过去!

那些快速运动的时钟、尺子和μ介子都是在向未来运动,它们是否能够回到过去?伟大数学家库尔特·哥德尔利用广义相对论描述了一个可以穿越到过去的宇宙,他也是第一个找出这样的宇宙的人。爱因斯坦70岁生日的时候,哥德尔将这个宇宙模型作为礼物送给了爱因斯坦,但爱因斯坦对这样的宇宙模型充满了怀疑。哥德尔的奇异宇宙具有两个独特的性质:离心力旋转,防止宇宙物质塌缩、允许向过去穿越的时空旅行。

时空旅行有可能实现吗?看看科学家的说法!

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在哥德尔的宇宙模型中,一个太空旅行者出发后,能够最终到达她(他)自己过去的某一点,这好比旅行者在一个巨大圆柱体的表面走完了一圈又回到原来的地方。物理学家将这个时空轨迹称之为“闭合类时曲线”,这样的曲线就像地球表面的纬度线一样环绕整个宇宙。当然时空旅行者所看到的依然是宇宙空间中的寻常景象,更为重要的是他自己表上的时间还会按照正常的速率向前流逝,尽管回到过去的一个时空位置上,但是时钟的指针却并不会因此反向转动!

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住在英国牛津附近的朱利安·巴伯是一位独立的理论物理学家,他说:“早在1914年的时候,爱因斯坦已经意识到了闭合类时曲线可能存在,他曾说过‘我的直觉强烈地反对它。’”这类曲线的存在会给因果律带来各种各样的问题。比喻如果事情已经发生,那回到过去能被改变吗?假如一个时空旅行者在他的祖父遇见他的祖母之前,就将祖父杀死,那么在这个时间旅行者身上会发生些什么,这位疯狂的旅行者还会出生吗?幸运的是天文学家目前没有发现任何宇宙在旋转的证据。

或许哥德尔没有设计出一个真实的宇宙模型,但他的确证明了闭合类时曲线和广义相对论是完全相容的。那物理定律中向过去穿越的可能有多少?宇宙学家构建了许多不同的闭合类时曲线进行试验,但哥德尔指出宇宙只有在某种特性下才能存在这种曲线,有人发现宇宙局部区域弯曲时空时也能制造出闭合类时曲线。广义相对论中,大质量天体都会弯曲时空,弯曲的时空反过来将会引导这些大质量物体的运动,在非常极端的情形中,时空或许能弯曲到一定的程度,从而创造出从现在回到过去的路径。

虫洞是回到过去的路径?

总之很多物理学家们提出了非常奇怪的机制,试图创造回到过去的时空旅行路径。在1991年的一篇文章中,戈特证明如何在两根宇宙弦交汇的地方产生闭合类时曲线。1983年,加州理工学院的物理学家基普·索恩开始探讨一种叫做虫洞的闭合类时曲线的可能性,这种虫洞或许允许回到过去。

索恩的同事肖恩·M·卡罗尔认为:“在广义相对论中,如果你连接了两个不同的空间区域,那么你也连接了不同的时间区域。进入虫洞的入口将是球形的,它是一个进入四维通道的三维入口。像所有的闭合类时曲线一样,通过虫洞的旅行和其他旅行没什么不同,并不是你在这个时刻消失,然后在另外一个时刻被重新组装起来,目前还没有任何合适的理论允许这种科幻似的时空旅行。时间都是在一秒一秒地向前流逝,只是你当地时间‘向前’的速率和宇宙其他地方不那么同步而已。”

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不过所有的虫洞模型都有严重的问题!卡罗尔说:“首先,为了得到一个虫洞,你需要负能量”。什么是负能量?一块空间中的能量会自发涨落,当它小于零时,就会出现负能量。如果没有负能量,虫洞的球形入口和四维通道就会瞬时向内塌缩。卡罗尔介绍说:“对于能被负能量一直支撑,并且保持开放状态的虫洞,看起来非常困难,甚至是不可能的。在物理上看来,负能量也是很糟糕的一件事。即使负能量能够保持虫洞敞开,在你想借此制造时间机器时,粒子也会穿过虫洞,而且每个粒子都会来回穿梭无限多次,这可会产生无穷大的能量。而巨大的能量会让时空变形,使整个虫洞塌缩成黑洞!我们不是100%确信这一切会发生,但是看起来非常有可能。实际上宇宙正在通过制造黑洞来阻止你制造一架时间机器。”

黑洞是诞生自广义相对论的自然产物,虫洞和闭合类时曲线却是人为构造出来,卡罗尔说:“即使虫洞在现实环境中行不通,但它符合广义相对论的事实也有重要的意义,虽然想将时空旅行扫地出门,但我们就是没法做到,这让人很懊恼。”更令人恼火的是,在爱因斯坦优美的理论中,居然允许存在看起来几乎不可行的事情。

尽管一些理论已经尝试着为这些复杂的时空旅行问题提供了一些替代解决办法,但大多数意见还是认为回到过去是人类不可能实现的一个梦想。毕竟,正如著名物理学家斯蒂芬·霍金在他的《时间简史》中提到的那样:“如果时空旅行可能实现,那些从未来穿梭到现今世界的旅行者们又在哪里呢?”