这一篇,我们从相对论的角度讲一讲让人激动的时间旅行。
网上冲浪的时候,时常看到总有一些人对“穿越”行为进行所谓的“科学”描述,看到最多的是:根据相对论,只要速度超过光速,时光倒流,我们就能回到过去。总结起来就是:但凡穿越,必超光速。
这种话估计能把爱因斯坦气疯。
相对论的一个最基本的原理就是光速是任何运动的速度极限,是不可能被超过的,如果允许超光速运动,那么相对论本身就被推翻了,又何谈根据相对论呢?这显然自相矛盾。
那好,现在让我们一起了解一下时间旅行的科学原理和依据吧。
一、类时闭合曲线
时间旅行是广义相对论研究的重要课题。根据广义相对论,时空会被引力弯曲,引力越强,则时空的弯曲程度越大,也就是说,时空不是平坦的,时空是有形状的。
现在,请发动你的想象力。
首先,请把时空想象成一张纸,我们在时空里运动,就好似沿着纸面运动。假设这张时空纸延伸的方向为时间前进方向,那么显然我们只能朝着一个方向运动,因为时间维只有一个方向,这是时间维的物理性质。
请注意,根据相对论的时空理论,这张纸是不平坦的,有起伏,有褶皱,在时空纸上的运动就像在崎岖不平的山路上走路一样,起起伏伏,高高低低,凹凸不平。
假设,我们在一个平坦的时空中上午8:00出发,从时空的一头运动到另外一头(根据爱因斯坦的发现,任何物体在时空中运动的速度都是光速,所以以后你都不要再问出运动速度是多少这样的傻问题了),到达终点的时候,刚好是上午9:00。
现在,再假设我们经过的这段时空被某种力量弯曲了,那么我们达到终点的时候,会变成上午8:30,如果弯曲得更厉害一点,我们就会在8:10到达终点。
现在重点来了,如果时空这张纸被弯曲成了一个莫比乌斯带的形状,头尾相连了起来,你就有可能在7:50达到终点,也就是说你沿着弯曲的时空走了一圈回来以后,发现到达的时间比你出发的时间竟然还早,这意味着你回到了过去。
因此,在广义相对论中,时间旅行的科学原理是通过一个时空的圈环回到过去,这个时空圈环被霍金称为“类时闭合曲线”。
狭义相对论是不允许时间旅行的,广义相对论刚诞生的时候,爱因斯坦也不认为时空能弯曲成一个圈环,等到后来他意识到这个时空圈环具有“虫洞”(爱因斯坦罗森塔尔桥)的某种特性才相信时空圈环允许时间旅行。
所以,靠谱点的时空穿梭原理一般都要借助虫洞来完成。
二、莫比乌斯带
莫比乌斯带,也叫魔比斯环,梅比乌斯带,麦比乌斯带等等,英文名称是Mobius Strip,常见于影视剧、科幻小说中,它往往象征着时空穿梭。其实就是把一张纸条的一头拧半圈然后和另一头粘起来,形成一个圈圈。但是请千万别小看这个圈圈,这个圈圈有着许多迷人的特性。
如果你在这个圈圈上跑步,你就可以一直往前跑,不用翻越任何边界而跑过所有的面。
如果你拿一只毛笔,沿着纸面只用一笔就可以把颜色涂满整个纸带。
如果你沿着普通的圆圈的中线一刀剪下去,那么这个圆圈就会一分为二成为两个各自独立的圆圈。但是,如果你同样沿着莫比乌斯带的中线剪一圈,你会发现,这个莫比乌斯带不会一分为二,会成为一个有着正反两面的更大的一个圈圈,然后你再沿着这个圈圈的中线剪开,你会神奇地发现这次剪出了两个互相嵌套在一起的两个圈圈,然后再把两个圈圈各自沿着中线剪开,又会变成互相嵌套的四个圈圈,这么剪下去永无止境,最后圈圈套圈圈复杂得可以把你搞疯掉。
还有更有意思的。
先说一下自然界中的“左右手系”对称:好比左右手套,这两只手套你怎么看他都像是对称的,但问题是,如果你不把手套在空间中翻一个面的话,你永远也无法把两只左右手套完全重合上下叠一起,就好像你怎么也不能把左手套在不翻过一面的情况下戴进自己的右手中。
但是,如果你让一只左手套沿着莫比乌斯带转刚好一圈(不是两圈),这只手套就会翻过一面成为了一只右手套,但是请千万记住它的神奇之处就在于如果手套有感觉的话,它根本不会发现自己其实被翻过了一个面,在它的感觉中,它只是沿着一个面不停地运动,不知怎么的就从左手系变成了右手系,再运动一圈又变回了左手系,真是奇怪。
那有没有类似莫比乌斯带的三维物体呢?
有的,1882年德国数学家克莱因找到了一种模型,叫做“克莱因瓶”。
注意,图片仅仅是克莱因瓶的近似,真正的克莱因瓶是没法直接做出来的,真正的克莱因瓶是不会互相穿过的,需要一点空间扭曲的想象力。
现在,请你盯着这个瓶子一分钟,想象你在这个瓶子的表面跑步的情景,你会越看越神奇。
继续想象,如果时空扭曲成这种神奇的形状,那么你就完全有可能坐着宇宙飞船从21世纪出发,到19世纪返回,穿越了一个世纪的时间,如果继续往前又会返回21世纪。
三、时间旅行的逻辑悖论
众所周知,如果允许回到过去的话,会产生逻辑上的悖论,或者说一些循环怪圈,比如最著名的祖母悖论。
如果你回到过去杀死了你的祖母,那么你祖母既然死了,你又怎么能存在,你不存在了又怎么能回去杀死你的祖母呢?
或者说,如果你回到过去杀死以前的自己的话,又怎么能有后面的你再回去自杀呢?
总之,类似这样逻辑悖论随便一想就一大堆。
有一部讲述时间悖论、命运闭环的神奇烧脑电影,叫《前目的地》(改编自罗伯特的小说《你们这些还魂尸》),大意讲的是时间特工在变性后回到过去与过去的自己生下自己,真真是毁三观啊。
广义相对论允许时间旅行的可能性,但是祖母悖论显然又在挑战我们的常识,那么,这些悖论能解决吗?又该怎么解决呢?
下面,我们介绍几种有代表性的解决方案。
(1)自由意志丧失说
该学说认为所有该发生的历史都已经发生了,你不可能改变这个历史,所以一旦你回到过去,你就会丧失自由意志,你完全被历史所控制,你无法改变任何历史的一丁点。也就是说历史无法被改变,你回到过去也无法杀死祖母或自杀,不存在逻辑悖论。
(2)时空交错说
该学说认为你回到的那个时空和真实的历史时空是平行纠缠在一起的,但永远不可能相交,你可以看见历史,但不能影响历史,就是说“只能看,不能摸”。
(3)多历史说
历史不止有一个。你可以回去杀死你的祖母,你也可以回去干任何事情,但是,你影响的那个历史和我们这个世界的历史不是同一个。换句话说,当你干下了任何改变历史的事情时,世界就分裂成了两个世界。为了让时间旅行合理,物理学家搞出无数个世界来,确实挺疯狂的,但是这个理论得到一堆科学家包括霍金的支持。
难道物理学家都疯了吗?怎么会去相信听起来如此不靠谱的理论呢?这是因为多历史的现象在量子微观世界中似乎每时每刻都在发生。(关于量子物理的话题有机会我们再讲)
四、现在存在未来人吗?
我不说你也知道,想要时间旅行,以我们人类目前的技术是不可能达到的。
试想一下,要扭曲时空就必须要有巨大的引力,产生引力就要有巨大的质量,而质量和能量又是可以互相转换的,所以归根到底要有巨大的能量。
如果我们能把太阳一天放出的能量全部采集下来的话,大概等于自人类诞生以来所使用过的所有能量的总和,用这么巨大的能量可以打开一个只有几纳米大小的虫洞,这个虫洞最多只能允许把你分解成无数的原子通过后再在另外一头组装起来。
虽然,现在的人类确实没有能力制造时间机器,但是未来人呢?
如果在遥远的将来,我们人类制造出了时间机器,那么他们就有可能乘坐时间机器回到我们或者我们以前的时代,问题是为什么我们从来没有见到这样的未来人呢?当然也从来没有历史记载有未来人光临过。
允许时间旅行的物理理论已经存在,假设未来无限远,假设时间机器确实可以造出来,那么概率再小也应该有未来人回来过吧。
2005年,为庆祝国际物理年暨相对论诞生100周年,美国麻省理工学院举办了一场“时间旅行者大会”,邀请未来人光临会场并携带未来的物品作为证据。倒是来了很多“旅行者”,可惜没有一个能让人信服,这些旅行者都辩称时间旅行无法携带东西,所以没有信物。
2009年6月28日,物理学家斯蒂芬·霍金也举行了一场时间旅行者宴会,邀请时间旅行者参加。不过,霍金是在派对结束后才寄出请柬,这意味着不是时间旅行者不可能知道宴会的时间与地点。不幸的是,时间旅行者无人赏脸,竟无一人参加。
各位小伙伴,你们相信我们现在生活的世界里存在未来人吗?