人类是否能发明时光机?时间旅行是现实抑或是梦境?

2020-01-02| 发布者: 俊行天| 查看: 95

我们把时间旅行定义为:从某个时空出发(旅行者视角),然后提前到达同一地点(久坐的观察者视角)(换而言之,就是从某个时空穿越到另外一个时空的意思)。时间旅行悖论产生于这样一个事实:根据一个观察者的说法认为出发发生于到达之后,另一个观察者则认为出发发生在到达之前。在狭义相对论的术语中,时间旅行意味着时间的类时顺序不是一成不变的。这违反了我们对因果的直觉概念(直观感受)。但直觉不是万无一失的向导,所以我们必须多加小心。时间旅行真的是不可能的吗?或者它是另一种“不可能”现象,意味着“大自然比我们想象的更神秘?答案可能比你想象的更有趣。

科学小说范式

在B级电影中,勇敢的时光旅行者爬进他的时光机,看着外面的时钟向后旋转,而外面的人看着他返老还童的场景,根据目前理论,这种场景是不可能的。在当前的理论,时光之箭在任何特定的地方都只朝一个方向前进(时间从过去向未来流动)。如果这不是真的,那么一个人就不可能在时空中强加一个四维坐标系统,并且许多恶劣的影响也会随之产生。然而,目前的理论并不排除有这样一种情况。该情况通常需要一种不寻常的时空拓扑结构(应归于广义相对论中的虫洞或弦),这种结构尚未见过,但可能存在。在这种情况下,宇宙在每个局部区域都表现良好,只有通过探索整体属性才能发现时间之旅。

守恒定律

有人有时认为时间旅行违反了守恒定律。例如,把质量送回去过去的时空会增加当时存在的能量。这个论证使用了整体守恒定律,而物理方程的相对不变公式是指局部守恒定律。局部守恒定律告诉我们,只有当物质流入或者流出的时候,小体积物的质量才会改变。整体守恒定律抛弃了物质必须流经表面的假设:他将所有空间整合,并假设在无穷处没有流入或者流出的流体,如果没有办法对整体守恒定律的公式做积分,那么整体守恒定律就无法成立。

广义相对论

至少从1949年我们已经知道了在广义相对论中时间旅行的可能性(来源于库尔特 哥德尔,文献【1】中有讨论,168页)哥德尔发现的广义相对论的时空具有“时空封闭曲线”(CTCs)。“时空封闭曲线”是一个粒子或一个人可遵循的世界线,他结束是的时空即他开始时的时空。广义相对论中,包含“时空封闭曲线”的解决方案,不能有类似空间的嵌入式空间,而必须有“孔”(如甜甜圈上的孔,而不是纸上打孔)。

有人想完成时间旅行,必须以一种巧妙的方式绕过或穿过这些洞。哥德尔的解决方案是一个新的思路,但这对构建时间机器并没有任何用处。最近有两个关于时间旅行解决方案,一个是莫里斯等人提出的(文献【2】),另一个是哥特提出的(文献【3】),都宣称说有可能制造出实际可靠的设备(如果你相信,我有一座桥可以销售给你。作者意指这两种解决方案与实际制造实际机器依然相差甚远)。

在这些解决方案中,与哥德尔一样,没有什么地方是奇怪的。不同寻常的时空拓扑结构引发了时间旅行。第一种时间旅行的解决方案是通过利用虫洞(可能是黑洞的内部部分,参见【2】中的图一),该虫洞保持打开状态,并受电磁力操控。第二种时间旅行的解决方案是通过由具有质量的无限长弦产生的圆锥体。如果两根弦擦肩而过,聪明的人可以绕着弦循着8字的路线回到过去。在这种情况下,如果管柱的直径不为0,质量密度有限,就会出现一个没有任何异常拓扑结构的“时空封闭曲线”。

祖父悖论

随着包含“时空封闭曲线”的广义相对论的论证,人们开始研究自我一致性的问题,这个问题就是“祖父悖论”:如果时间旅行者回到过去后,在他出生之前就把他祖父杀死,那么会发生什么?在更为容易分析的术语中,我们可以问,量子力学中的粒子干涉对其自身的未来有什么影响。博尔维尔(文献【5】)的论述表面存在一个问题:违反了一致性。这与上面讨论的什么情况下可以整体守恒积分的问题有关。这是“柯西问题”的一个例子。(文献【1】,第7章)

其他问题(是否有逃生舱)

如何避免包含“时空封闭曲线”的广义相对论中的简单解决方案中,量子力学的干涉不会导致上述的情形(即“祖父悖论”)?这并不是将理论运用于一个预期会失败的领域。一个相关的问题是时间机器的构造。毕竟,无限长的弦是不容易得到的。事实上,(文献【4】中)显示,哥特的情形暗示时空的总动量一定是类空(空间)结构的。这似乎意味着,一个人不能从任何非超光速物体的集合空间中建造时间机器,而这些物体的动量必须是类时(时间)的。虫洞也存在实现的问题。

速子

最后,讨论一下别的话题。

如果速子作为物理对象存在,因果关系就不再是不变的了。不同的观察者会看到不同的因果关系。这种效应只需要用狭义相对论解释(不是广义相对论),而且从任何类空间轨道都可以找到参照系,其中粒子可以在时间上向前或向后移动。下面的时空图可以说明这一点。一个人必须对实际的事物细心观察;一个在时间上向后运动的粒子,被观察到的是一个向前运动的反粒子,所以没有观察州把他解释为时间。

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