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美媒探究《回到未來》的物理學依據

2015年11月15日 00:00:00  來源:香港法治网

【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。

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