科學總是給一些幻想打上不可能的標簽。穿越時空大概是所有人最想做的事了,到過去見一見思念的人,到未來看看自己過的怎樣。但廣義相對論提出已經(jīng)一百多年了,為什么時光機還沒造出來!
懷舊空吟聞笛賦,到鄉(xiāng)翻似爛柯人。
「爛柯人」講的是晉朝一個叫王質的人上山砍柴,就看了一會別人下象棋,發(fā)現(xiàn)斧子已經(jīng)爛了,回到家竟已過了數(shù)百年,和他同一時代的人都不在了。
但這個神話故事存在很多疑點,數(shù)百年的時光去哪了?王質進入了時空蟲洞嗎?要是再多看一會下棋,豈不是都穿越到2021年了?天上一天,地上一年有科學道理嗎?
不少人也是在爛柯人的故事中感慨和幻想著「時空穿越」。
好消息是,愛因斯坦的相對論提供了一種穿越時空理論上的可能性,只需要超越光速或者進入能夠扭曲時間的黑洞中,就能夠穿越時空。
當然了,能否實現(xiàn)是工程上的問題,并非理論物理學家要解決的問題。
壞消息是,時間維度和空間的三個維度實際上是混合在一起的,雖然我們在空間中可以前進和后退,但時間維度上卻無法倒流,這也是宇宙的規(guī)則。每當我們想要制造一臺時光旅行機器,宇宙就會毫不留情的給你加一條規(guī)則。
想超光速進行時間旅行?不好意思,宇宙內不能超越光速。
時空旅行根本不可能?
關于時空旅行的辯論,從物理學一直打到了哲學。
法國科幻小說作家René Barjavel在1943年時提出了著名的「祖父悖論」。
假如你回到過去,在自己父親出生前把自己的祖父殺死,那么此舉動會產(chǎn)生一矛盾的情況:你回到過去殺了你年輕的祖父,祖父死了就沒有父親,沒有父親也不會有你,那么是誰殺了祖父呢?或者你的存在表示,祖父沒有因你而死,那你又怎么殺死祖父?
但物理學家對此表示,如果現(xiàn)有理論解釋不了,我就再來一個,于是「平行宇宙」出現(xiàn)了。
當你回到過去殺你的祖父時,你殺的其實是另一個宇宙的人,或者你的這個舉動也可以創(chuàng)造一個新的平行宇宙,而祖父的死只會使那個平行宇宙的人不再存在,而這個平行宇宙的人則平安無事。
還有一種解釋是,也許能夠進行時空旅行,但你所能做的事實際上受到宇宙的限制,過去的事發(fā)生后無法再變,你不能殺死祖父,但你「扮演」一個陌生人給你的祖父和祖母安排一場相親還是沒問題的!
也有哲學家認為,是否時間這個概念只存在于人類意識中,只是用來同步人類感官的一種形式。也許錯在我們,把這種主觀概念強加給了宇宙,那關于時間的研究也就沒什么意義了。
廣義相對論帶來希望
愛因斯坦于1916年在廣義相對論(General Relativity)中首次將引力場解釋成時空的彎曲。把宇宙想象成一個「大床墊」,上面的球越重,產(chǎn)生的凹陷越大,附近的球向他滾動的也越快,看起來就像是被吸引過去一樣。除了空間維度外,床墊上的凹陷也會扭曲球附近的時間。
也就是說,有了廣義相對論,我們就能知道床墊的凹陷程度,根據(jù)凹陷程度,我們又能知道床墊上的球如何運動。
為了造出時光機器,物理學家們又提出封閉類時曲線(Closed Time-like Curve, CTC)的概念,試圖找到一條物質粒子在四維時空中的封閉運動軌跡。
也就是說,如果存在一條軌跡,能夠讓粒子在時空中走了一圈后又回到了原點,并且在整個過程中粒子的速度都沒有超過光速的話(也沒法超過光速),不就完成穿越時空了嗎,時光機不就造出來了嗎!
過去幾十年科學家們一直在嘗試解決時間旅行的問題,并且最詭異的是,CTC竟然在理論上是真實存在的!
著名數(shù)學家哥德爾發(fā)現(xiàn),如果一個宇宙中充滿了緩慢旋轉的均勻塵埃(uniform dust),由于轉動產(chǎn)生的離心力和引力相互抵消,我們能夠在宇宙中找到纏繞在自己過去時間的軌道,這樣的宇宙也稱為哥德爾旋轉宇宙。
于1916年首次提出的蟲洞(wormhole)也能夠充當時間機器。理論上來說,蟲洞是連結兩個遙遠時空的空間隧道,由星體旋轉和引力共同作用下產(chǎn)生的,雖然蟲洞無處不在但卻轉瞬即逝。迄今為止,科學家們還沒有觀察到蟲洞存在的證據(jù)。
1974年物理學家弗蘭克進一步研究發(fā)現(xiàn),如果存在一個無限長的圓柱體,當圓柱體旋轉到接近光速的時候,它的外部時空已經(jīng)是一個CTC了,如果沿著這個柱子走一圈就會發(fā)現(xiàn)自己又回到了原點,還會遇到另一個剛開始準備繞圈的自己。這個柱體也稱為提普勒柱體。
黑洞的內部也是一個相當神奇的地方,同時存在極強的離心力和引力,也有可能產(chǎn)生CTC。
理論存在,實踐開始?。ㄕ`)
在廣義相對論的框架下,還有更多CTC的解被研究出來,一次又一次的證明時間機器存在的可能性,但這些解都有著極其特殊的要求,特殊到真實世界中根本達不到要求!
隨著物理學的進一步發(fā)展,在宇宙微波背景的觀察下,我們只能絕望的宣布,宇宙并不是旋轉,無限長的圓柱體并不存在,黑洞的內部出現(xiàn)了奇點(singularities,常用的物理學定律在奇點上統(tǒng)統(tǒng)失效),蟲洞的不穩(wěn)定性甚至無法承受一個光子的通過。
既然造時光機這么難,那我證明造不了時光機不就行了?
巧的就是,類似于上面的CTC的各種解,物理學家們總能在廣義相對論中找到能夠進行時間旅行的證據(jù),但每次又能在這些方法中找到一些無法達成的條件,似乎上 帝還沒有決定好是否給人類開放「時間旅行」的權限?
由于在CTC的研究上沒有取得任何進展,研究人員需要換一種思路來解釋「為什么時間箭頭只能向前」?
物理學家的第一反應就是研究基礎粒子啊!但越研究就越困惑,微觀粒子的相互作用竟然都具有「時間反演對稱性」,也就是說一個粒子的運動過程不管是正著看還是反著看都是一樣的。
就像手里拿著一個蘋果向上拋,以拋作為起始節(jié)點,以接住為終止節(jié)點錄了一段視頻的話,就算視頻是倒放的,我們也看不出來。
當然,宏觀上是不存在時間反演對稱性的。
由于熱力學第二定律,所有孤立系統(tǒng)都會朝著最大熵狀態(tài)進行演化,也就是說不管在宏觀上做什么,只要有溫度,微觀粒子就在不停地運動,消耗能量,從而導致系統(tǒng)的熵(混亂程度)隨著時間的一直在不斷增大,兩個系統(tǒng)之間無法進行反演。
有人在屋子里嗦了個粉,漸漸地屋子里都是螺螄粉的味道,在屋子內所有的空氣分子都在不停地運動,熵逐漸增大且不可逆,但空氣中的分子間碰撞卻是時間對稱的。
熱力學的箭頭和時間的箭頭好像突然一致了起來,所以熵就是時間?人類一直以為的時間概念只不過是熵增的一個過程?為什么宇宙是熵增的?
目前我們還沒有觀察到違反熱力學第二定律的現(xiàn)象,但熱力學對時間的解釋只是「描述了時間不可逆這個現(xiàn)象」,并沒有解釋「時間是怎樣產(chǎn)生的」。
雖然熵的概念在十八世紀中葉就提出來了,但目前也還沒有人證明時間的推移和熵增之間的明確關聯(lián),物理學家們還在各種各樣的概念中尋找靈感去解釋時間,未來也許真的能制造出一個無限長的圓柱體、或者制造一個蟲洞來進行時間旅行?
至少宇宙還沒有明令禁止時間旅行!
關于「穿越時空」的討論總是讓人興奮,但小編能做的只是坐等時光機的出現(xiàn)。
參考資料
https://arstechnica.com/science/2021/11/why-the-expletive-cant-we-travel-back-in-time/
本文來自微信公眾號“新智元”(ID:AI_era),作者:LRS,36氪經(jīng)授權發(fā)布。
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