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有关时间旅行的理论与实践

但地球的时间不会明显变慢,太阳也不会。太阳的表面逃逸速度大约每秒六百千米,从太阳表面低空飞过并不会产生时间位移,只会造成更多灼伤。要显著影响时间的流动,你需要的是中子星或者黑洞。这些东西你在地球附近可找不到。它们具有强大的潮汐引力,能撕碎任何已知物体,包括你那软绵绵、粉嘟嘟的身体。它们可能会释放出强烈的高能辐射和磁场,强度足以使你的神经系统短路。事实上,你得非常非常靠近黑洞或中子星才能使时间慢下来,而且你还得在那儿晃悠一段时间,等待时间变慢的影响叠加到足够显著。着陆不是求生的选择,但或许你可以进入低空轨道,以每秒几百圈的速度绕着这头怪兽疯狂旋转。你将不得不忍受潮汐引力和辐射。然后,你还得离开这里,才能去享受未来的旅行,这意味着你需要一架能克服逃逸速度(接近光速)的飞行器!与狭义相对论相比,运用广义相对论来实现时间旅行棘手且冒险——不过这两种方法都得到了物理学界的认可。

广义相对论提供了另一种到达未来的途径。如果你以接近或等于光速的逃逸速度靠近某物体,在外太空的观察者看来你的时钟就变慢了。这个方法完全适用,所有对此进行研究的实验,包括最近执行的高灵敏度引力探测器B航天任务,都证实这一方法可行。我们甚至可以测量出地球的重力时间膨胀效应,地球的逃逸速度只有每秒十一点二千米,与光速相差甚远。

倒回

捕捉一切光的黑洞。

前往未来固然很棒,但是回到过去就更棒了。其中一个诱人的希望就是在股票市场上大赚一笔。

能创造黑洞,

宇航员们知道,看见事物以前的样子不仅是可能的,而且是不可避免的。当我们把望远镜对准遥远的物体时,我们就是在回望历史。虽然光速快得让人看不清,但它还是花了一些时间才抵达地球上的反射镜和探测器。我们看见的月亮是一点三秒前的月亮,我们看见的太阳是八分钟前的太阳,我们看见的仙女座星系是两百五十万年前的仙女座星系。在可观测空间范围的最远处,我们能看见宇宙大爆炸的余晖:一百四十亿年前的婴儿期宇宙。

自引力强大,

但是,在这么远的距离之外,很难看到人类感兴趣的细节,而且我们对人类历史的兴趣大过对遥远星系的兴趣。我们当中的许多人不会满足于只当一名看客,我们更想亲自参与其中。

赋予物质如下特性:

那么,我们真的能参与历史吗?

广义相对论

科学给出的答案当然是,也许能。

广义相对论

严正警告:从这里开始,情况会变得诡异,虽然以度量标准来看相对论的时间膨胀完全正常。前往未来不仅有成熟的理论作为依据,而且有精确的实验作为支持。回到过去,却不尽然。爱因斯坦的研究没有发现任何回到过去的可能性。

尽管并非不可能……却异常艰难。要让你的时间变得超级慢,你必须把自己加速到超级快。光速大约是每秒三十万千米。要让你的时间显著变慢,你得接近光速:考虑到百分之六十的时间膨胀,那也得达到每秒二十四万千米的速度。目前人类达到过的最快速度是每秒十一千米,那是“阿波罗号”飞船从月球上径直向地球坠落时太空舱中的宇航员所体验到的速度。即便是这样的速度也极难达到并且所费不菲,当时美国国家航空航天局从联邦政府得到的可自由支配的开支是今天的十倍,在那样的情况下,人类达到那种速度的次数也屈指可数。我们的无人驾驶航天器能达到的最快飞行速度是每秒七十千米,这是在“赫利俄斯号”太阳能计划和“伽利略号”木星探测计划中实现的。无论是载人的速度还是不载人的速度,都与每秒三十万千米相距甚远。在自然科学的另一个分支领域,我们已经能将物体加速到接近光速,但这些物体的大小不会超过一粒原子,而且粒子加速器的长度和能耗相当于一个小城镇。如果我们想应用狭义相对论来实现时间旅行,在动力推进方面还有相当长的路要走。等动力推进发展到那个程度时,我们就能到达其他恒星了,这是附带的好处。

但爱因斯坦不是唯一的,也不是最后一个聪明人。

狭义相对论最棒的一点在于,它经得起检验。这一理论已经被实验反复证明。虽然总有一些著名的物理学家热衷于戳破科幻爱好者的幻想泡泡,但连他们也无法否认我们有可能快速到达未来。

当今世界上最聪明的人之一是加利福尼亚理工学院的教授基普·索恩。你也许没听说过他,但你也许听说过坐在轮椅上的天才物理学家史蒂芬·霍金。在有关相对论的问题上,基普·索恩和史蒂芬·霍金打过好几次赌。有几次都是他赢了。索恩博士是世界上研究时间机器的权威专家。他写了一部相当精彩的著作,叫《黑洞与时间弯曲:爱因斯坦的绝妙遗产》。有关时间旅行的大部分知识我都是从索恩博士的讲座和著作中学到的。

如果你想问,为什么这个故事展现了悖论,那我要为你鼓掌!确实没有。你想想双胞胎姐姐用望远镜观察她的兄弟时会看到什么,悖论就产生了。对双胞胎姐姐来说,是她的兄弟正在高速运动,是她的兄弟的时钟变快了。要解决这个悖论得做一大堆数学运算:我们大学的相对论教材——封面上有头犀牛的那本——用了七页来解决这个问题。这个计算过程就留给那些有着非凡兴趣的读者作为课后习题吧,总之悖论解决了,远游归来的双胞胎姐姐的确比她的兄弟老得慢。罗伯特·海茵莱茵在他的经典作品《异星游》中用许多对双胞胎的故事来仔细探讨了“双胞胎悖论”。虽然情节有点老套,但涉及物理学的部分都是正确的。

事实上,造出时间机器的理论可能性有几种。然而,没有一种理论得到实验数据的支持,甚至连这些理论本身也存在争议。我们必须清楚:我们将面对不可思议的工程学难题。即使理论上可行,我们也要等待超乎想象的科技进步,才能造出第一台可运行的时间机器,那将是在遥远的未来。未来,我们将以上文提到的相对论速度通勤上班。我们的孩子将在科技博览会项目中把别的行星环境改造成类似地球的样子。不过,暂且假设我们已经发展到那个阶段。

从20世纪初期开始,著名的思想实验“双胞胎悖论”就被用来解释以相对论速度运动时所产生的时空扭曲效应。这个实验只能在思想中完成,因为目前还无法实现。在这个思想实验中,双胞胎中的一位去太空旅行后,乘着飞船以相对论速度回到地球。由于飞行速度巨快,时间在她身上变慢了。如果她的兄弟(双胞胎不一定是相同性别)用一台功能强大的望远镜观察她,会看到她动作缓慢,墙上的时钟指针走动速度也变慢了,书桌上台灯的灯光变得更长更红了。等她旅行结束回到地球时,她度过的时间只是她兄弟度过的一小部分。她的年龄增长也比她的兄弟慢。她成功到达了未来。

这当中有一种理论可能性是建造一个无限长的巨大圆筒(不仅和宇宙一样宽,而且无限长),将圆筒设置为以光速绕中轴线旋转,让一些高性能的飞行器附在上面一起旋转。环绕圆筒巨兽的某些飞行路线会回到空间中的同一位置,却到达了过去的时刻。这就是,时间机器。

爱因斯坦的狭义相对论预测,当物体的运动速度接近光速时,会产生一系列奇特的效应。长度缩短,质量增加。这时候发生的事情能被处于同一时刻的观察者看见,也能被别的观察者在别的时刻看见。而且,关键是,时间慢下来了。

然而,建造无限长的圆筒需要无限预算,科研基金可不是这么用的。不过,或许我们不需要亲自建造一个这样的圆筒。宇宙学专家猜测,早期宇宙中有自然产生的此类物体:例如被称为“宇宙弦”的线性黑洞,地球上的天文学家也许能检测到它,依据是绕宇宙弦的圈小于三百六十度。(我说过情况会变得诡异。)我不打算继续讲无限圆筒了,因为另一种方法更酷,而且和科幻小说之间有着有趣的关联。

相对论。

另一位表现出色的作者是卡尔·萨根。卡尔·萨根创作小说《接触》时,想为主人公找到一种快速往返织女星和地球并且从物理学角度看似可行的方法。他想到了一种可能由先进的外星文化发展出的技术,发邮件询问基普·索恩博士的意见。索恩博士想到了另一种更好的方法,并和萨根博士分享了他的想法,萨根博士把这个想法融入小说里。

教室里的时钟在缓慢地走着。

索恩的建议就是物理学界熟知的爱因斯坦-罗森桥,也就是科幻作品的生产者和消费者熟知的虫洞。(维基百科的词条上有关于“虫洞”的详细解释和照片,还用光线跟踪着色的图片展示了虫洞如何连接地球上的两个不同地方。)只需要把织女星附近的黑洞通道与地球附近的黑洞通道相连接,就搞定了!在不同星星间建造起捷径,整个宇宙任我们遨游。

当我们在知识的海洋里快速穿梭时,

等等,这听起来像在探讨超光速旅行,和时间旅行有什么关系?

狭义相对论

密切相关。记住,爱因斯坦相对论的核心原则是:空间和时间是同一个事物的两个不同方面。一旦其中一个弯曲了,另一个也会弯曲。

但这种老式的时间旅行太慢了,很难满足纯粹主义者。到未来旅行的魅力之一是能比周围的朋友更先看到未来,而且无须承担衰老的代价。我们想要的是通往未来的捷径。幸运的是,阿尔伯特·爱因斯坦告诉我们,通往未来的捷径不止一种,而是有两种。根据爱因斯坦博士的理论,快速前往未来的路有两条,一条是狭义之路,另一条是广义之路。

索恩博士和其他理论学者认为,虫洞有可能变成时间机器。让虫洞通道的一端留在地球,另一端跟随双胞胎悖论观光团去外太空。太空旅行中的通道口经历的时间比地球上的更短。等太空旅行中的通道口返回地球后,你从一直留在地球的虫洞通道口进去,再从经历过太空旅行的通道口出来,就回到了过去。这是如假包换的时间机器。(物理学家在出版物中进行讨论时,称之为“闭合的时间型曲线”,避免媒体们在新闻头条上嚷嚷科学家发明了时间机器。)这种虫洞时间机器有所限制。两个洞口之间的时间间隔很难调整。你只能在两个洞口之间选择一个开始高速短途旅行。而且你永远无法回到建立虫洞之前的时间点,那些想借此改变早前竞选结果、体育比赛结果或战争结局的人要失望了。但你至少能用这个时间机器在华尔街赚一笔,或者刺杀某个祖先,终结外祖父悖论的哲学式讨论。

从物理学的角度来看,在时间中加速前进是可行的。而且令人兴奋的是,这十分简单。不需要任何特殊设备,就能感受到所有主要影响。只要来一趟漫长的旅行。等你回来后,迎接你的是一大堆未完成的工作和快被挤爆的邮箱。只要离开的时间足够长(比如驻军海外或者被判入狱),等你回来时,你便会对眼前的事物感到迷惑不解。科技进步了。你认识的所有人都变了,或许他们都认不出你了。

虽然广义相对论认为虫洞在理论上可以实现,但并非已成现实。要建造虫洞还有许多未知的困难需要克服。首先,每个普通的黑洞中心都有一个邪恶的奇点。任何物体只要跨过黑洞视界,必然会落入奇点,被它瓦解,与它融为一体。其次,科学家尚未研究出把两个黑洞连接起来的方法。最后,根据理论物理学家的预测,如果两个黑洞通过某种方式互相连接,由此产生的通道来不及等任何物体从中通过就会自行断开。不过,已经有无数精英投身于这些课题研究,一定会有办法克服困难。

加速前进

也许科学家能从某种非普通物质中创造出两个相互连接且没有奇点的黑洞,这样就能抵消传输通道崩塌的自然趋势。理论上,带有负质量和负压的物质能够满足这一要求。没错,要建造一个可通行的虫洞,需要用到的某种物质比没有重量还轻,比真空还空。(刚才我说情况会变得诡异时,你是不是还不相信?)虽然实施这项工程需要的物质具有不真实的物理特性,工程师们把这种物质戏称为“难得元素”,但是这玩意儿实在棒极了!

让我们一起来看看。

在物理学研究的边缘地带似乎就存在某些施加负压的东西。神秘的“暗能量”便是其中之一,它使我们的宇宙能抵抗自身重力引起的向内收缩,从而不断加速向外膨胀。另一个是“卡西米尔效应”。也许应用“卡西米尔效应”能建立起可通行的虫洞,因此这个话题值得在此一谈。

你能找到许多激动人心,甚至古怪有趣的读物和视频。然而,这一切都只是幻想吗?在稳定不变的时间旅程中一起前往未来就是我们所拥有的一切吗?有没有可能,终有一日,科学能以某种方式仿效艺术,让时间旅行——能极大改变速度和方向的真正的时间旅行——成为可能?

物理学家们相信,在最微小的空间尺度和转瞬即逝的时间范围内,我们的宇宙是一团翻涌的泡沫,充满不稳定性,不断创生出一对对亚原子粒子,这些粒子在能被检测到之前就重新组合并消失。这些粒子被称作“虚粒子”。虚粒子包含了光子和电磁振荡,它们组成了光、无线电、X射线,等等。实光子和虚光子对金属类电导体的穿透性都不太好。因此,如果让两块极光滑平坦的金属表面相互靠得很近,就不会产生波长大于两块金属板间隔距离的虚光子。但在两块金属板之外是所有波长的虚光子,它们对金属板背面施加的辐射压力比金属板之间限制波长范围的虚光子所给的压力大一点点。如果所有这些稀奇古怪的情况确实存在,那就会有一股微小的力量——实际上就是负压——推着两块金属板相互靠近。

这些疑问为作家们创作短篇故事、图书和电影提供了肥沃的土壤,最早能追溯到马克·吐温。如果我们试着为有关时间旅行的文字作品列出一份不完全清单,恐怕少不了以下这些:H.G.威尔斯的《时间机器》、罗伯特·海茵莱茵的《进入盛夏之门》、雷·布拉德伯里的《一声惊雷》、弗里兹·雷伯的《大时代》、莱斯特·德·雷的《时间隧道》、库尔特·冯内古特的《五号屠场》、利福德·D·西马克的《庞然大物》、安妮·麦卡弗里的《龙飞》、弗雷德里克·波尔的《通向宇宙之门》、朱利安·梅的《上新世流亡系列》,以及无与伦比的道格拉斯·亚当斯的《宇宙尽头的餐馆》。有关时间旅行的电影和电视剧包括:《时光大盗》《终结者》《回到未来》《土拨鼠之日》《十二只猴子》《拜见罗宾逊一家》《穿越时空的少女》,以及一大堆《星际迷航》的剧集和电影,还有播了好几十年的《神秘博士》剧集。

这种力量的确存在并已在实验中被测量到。

这些无趣的事实众人皆知。但是科幻小说会问:“假如……将会怎样?”从而在无趣的事实中混入一些有趣的东西。假如我们可以穿越到未来,去看看我们自己和我们现在了解的一些事物在未来都变成了什么样,那会怎样?更理想的是,假如我们可以穿越回过去,见证历史,甚至充当事后诸葛亮,让历史事件朝着对我们有利的方向发展,那又会怎样?

用“卡西米尔效应”建造虫洞会面临一些难题。只能进行短距离操作,而且十分脆弱。把时空敲出洞所用的锤子可没有一个坍缩的大质量恒星核那么巨大。但是,如果我们的后代要把别的行星环境改造成类似地球的样子,而我们不想被超越,那就应该努力争取。首先,我们要建造一个直径等同于冥王星轨道直径的球形金属壳,也就是一个超大型的戴森球。然后,我们再建造一个戴森球,用它环绕第一个戴森球,并小心翼翼地使两个戴森球的间隔距离保持一埃(一埃等于10的负10次方米),这个距离大约相当于一粒原子的直径。据索恩博士所言,如果我们完成了以上工作,“卡西米尔效应”会使时空弯曲,我们将分不清哪一个戴森球在里面,哪一个在外面。这样我们就能建造出穿越百亿分之一米的虫洞。不幸的是,这并非一台实用的传输装置。但这是一个真正的虫洞,如果把通道的一端送上高速旅途,也许就能把它转变为一台真正的时间机器。

但是,由于时间旅行如此普遍,就没那么有趣了。我们无时无刻不在进行时间旅行,时间旅行也因此变得单调乏味。然而,由于不能自由控制时间旅行的行程安排,我们会经历各种惊喜或失望。我们无法改变这趟旅行的速度——每小时三千六百秒,蔚为壮观——就像我们无法得知无限小数的最末位是什么数字。时间旅行未必是冒险之旅。我们每个人都被困在这辆列车上,出于实用目的,这辆列车永远不会加速,永远不会减速,也永远不会倒车。

回到现在

我们都是时间旅行者。

不幸的是,人类的文化水平离“先进得不可思议”还差一截,近期内不能建造俄罗斯套娃式的戴森球,更不能把它们加速到相对论速度。但这并不会削弱时间旅行的吸引力。在科幻小说领域和理论物理学领域,时间旅行仍然是值得探讨的话题。正如《接触》一例,有时这两个领域的相互作用有助于推进彼此的发展。由于我们搭乘的时间列车以每小时三千六百秒的速度不可阻挡地向前进,我们建造时间机器的那个日子也正在不可阻挡地向我们靠近。也许在时间轨道上的某个地方,人们正被送向远方,送往更遥远的未来,而在那里人们也可以被送回过去。

孟捷/译

不准离开,不准触碰过去的任何东西!

斯坦·拉夫 / 著

THE TIME TRAVELER'S ALMANAC