美媒探究《回到未來》的物理學依據

【本報綜合參考消息網報導】美國“媒介”網站10月22日刊登《<回到未來>的物理學》一文，作者為伊桑·西格爾。全文如下：

上世紀80年代的標誌性電影三部曲《回到未來》為每一個犯錯者提供了十分誘人的可能性：你可以回到過去並糾正自己（或你的祖先）的錯誤，你還可以前往未來，鏟掉自己（或你的後代）的不幸，並相應調整自己的行為。

這是每一個完美主義者的夢想。

時間旅行概念並非“虛構”

但是對於這些劇情設定，物理學有什麼要說呢？首先，時間旅行的概念並不屬於科幻小說的“虛構”層面：這是一種你不管做什麼都無法阻止的科學！不管你保持完全靜止，還是加速到接近光速，在你自己的參照系中，你總是在以同樣的速度一秒一秒地進行著穿越時間的旅行。

當然，這聽起來不像是個非常深刻的宣言，但是當愛因斯坦1905年提出狹義相對論的時候，這僅僅是其眾多令人震驚的結論中的一個。

另外，我們還知道了光子——就這個問題而言，還有任何無品質的粒子——在它們的參照系中根本無法感受到時間：從被發射出的一刻到被吸收的一刻，只有具有品質的觀察者（例如我們人類）才可以看到時間的流逝。從光子的參照系看，其行進方向上的整個宇宙收縮至一點，吸收和發射是在一瞬間同時發生的。

但是我們擁有品質。而作為任何擁有品質的東西，你只能局限於永遠以低於真空中光速的速度旅行。不僅如此，而且不管你相對於別的任何東西運動得多快——不管你是否在加速，你將永遠感覺到光是在以恒定的速度c（即光在真空中的速度）運動。

這是一種極具說服力的觀察和理解，它帶來了一種迷人的後果：如果你觀察某個相對於你移動的人，那麼他們的時鐘看起來將會走得慢一些。

想像有一個“光時鐘”，即利用光在上下兩面鏡子之間來回反射的原理工作的時鐘。運動中的人相對於你移動得越快，則光橫向移動——而不是上下移動——的速度就越快，因此他的時鐘看起來將會走得相對慢一些。同樣，對於他來說，你的時鐘看起來也會變慢：他也將會認為你的時間的腳步變慢了！顯然，這樣的事情對於你們兩個人來說並不是事實：當你們兩人再次相聚時，其中一個人會更老一些，而另一個人會年輕一些。

這就是愛因斯坦“雙生子悖論”問題的實質。簡單的答案：假設你們從相同的參照系下開始對比（例如靜止在地球上），隨後在某個時間在同一個參照系中結束對比，那麼進行了旅行的那個人會衰老得少一些，因為他的時間是以“緩慢速度”度過的，而留在家裏的人的時間則是以“正常速度”度過的。

“回到未來”僅是數學方案

因此如果你希望迅速走到時間的前面，那麼只要加速到很快的速度（接近光速）並以此速度運動一段時間，然後返回並停留在你初始的位置。這樣做，你就可以前往未來——取決於你所用設備的理論品質——幾天、幾個月、幾十年、幾個地質年代甚至幾十億年！

你可以目睹人類的進化和毀滅；地球和太陽的終結；我們銀河系的解體；宇宙自身的熱寂。只要你的太空飛船有足夠的能量，你可以旅行到你願意到達的任何遙遠的未來。

然而返回卻是另一個故事。簡單狹義相對論——即基本級別的時空關係理論——足以讓我們進入未來。但是如果我們希望返回——或者進入過去，那麼我們將需要求助於廣義相對論——即有關時空與物質和能量間關係的理論。在這種情況下，我們把空間和時間當做一種不可分割的編織構造，而物質和能量是讓時空發生翹曲、即導致這種編織構造本身產生變化的東西。

但是在某些宇宙模型——即關於愛因斯坦廣義相對論的某些解答——之中，你卻可以返回到過去。如果空間也可以返回到過去的話，你就可以沿著某個方向進行長時間的旅行，並最後回到你當初開始的地方：這就是封閉宇宙帶來的結果。

當然，你不僅可以利用擁有封閉的類空間曲線的解決方案，你也可以利用擁有封閉的類時間曲線的時空，而這意味著你真的可以“回到未來”。然而這是一個數學的解決方案：但這種數學描述的是我們物理學意義上的宇宙嗎？情況似乎並非如此。我們所需要的宇宙彎曲度和不連續性將完全不是我們觀察到的樣子，它們甚至需要接近於中子星和黑洞，即我們宇宙中最極端的彎曲例子。