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  打破砂锅

  从上世纪的电影《回到未来》到现在《异星战场》,从用汽车飞速穿越时空到用特殊“神器”完成异地穿梭。时空穿越一直是科幻电影创作经久不衰的话题,那么——时间旅行曾一度被认为是科学狂想,许多研究它的科学家被认为是不务正业。在继警告人类勿主动与外星人接触以后,英国著名物理学家斯蒂芬·霍金又抛出惊人言论。在一篇探讨如何建造“时间机器”的文章中,详细分析了人类如何利用自然规律实现“时间旅行”的可能。那么时空穿梭能实现吗?

  极速可以穿越到未来

  “在牛顿的时空观里,时间和空间不受任何物质及运动的影响。很明显,在这样的绝对时空观里,时间旅行不具有理论基础,它的存在只是一种幻想。 但是狭义相对论的提出,对牛顿的绝对时空观产生了一次重大变革。” 物理学博士、科普作家卢昌海在《时间旅行: 科学还是幻想?》一文中谈到,“在狭义相对论中,时间和空间不再是绝对的概念,而是与参照系的选择密切相关。特别是,在运动参照系中时间的流逝会变慢,这是著名的时间延缓效应,它的存在已经被物理实验所证实。狭义相对论所带来的这种新结果,为时间旅行开启了第一种具有理论依据的可能性, 那就是面向未来的时间旅行成为了可能。”

  据卢昌海介绍:按照狭义相对论,如果有人想要到未来去旅行,他所需要的时间机器就是一艘能够以接近光速的高速运行的飞船。比如他想在二十年的飞行时间后能够到达两万年后的地球上,他所要做的就是让飞船以相当于光速99.99995%的速度飞行十年,然后以相同的速度往回飞。那么二十年后,当他回到地球上时,地球上的日历已经翻过了整整两万年,“他可以如愿以偿地看到两万年后的人类社会 。”

  回到过去困难重重

  与穿越到未来不同,在狭义相对论的框架下回到过去没有理论上的可行性。

  卢昌海说:“如果一定要对狭义相对论的数学框架做广义诠释的话,那么只有超光速的运动才可能导致某一类参照系中时序的颠倒。但是狭义相对论本身在亚光速与超光速之间设置了一个光速壁垒,没有任何已知的物理过程能够使原本亚光速运动的物体 (包括人) 进入超光速运动状态。因此在狭义相对论的时空框架内,时间旅行家可以到达未来,但却不能重返过去,这与我们在空间中自由自在的运动相比,显然还差得很远。”

  那么我们还有可能回到过去吗?

  卢昌海说:“在狭义相对论之后又过了十年,爱因斯坦提出了广义相对论。在广义相对论中,时间和空间不仅如狭义相对论中一样与参照系的选择密切相关,而且还有赖于物质的分布与运动。由此产生的一个不同于狭义相对论的重要结果是:我们对‘未来’的定义不再是绝对的了,它会受到物质运动的影响。在不同时刻、不同地点,‘未来’有可能指向不同的方向。”

  “这是一个奇妙的结果,它表明时空在某种意义上就像流体一样会受到运动物质的拖曳,甚至连时间的方向都有可能因拖曳而改变。”卢昌海解释道,“既然时间的方向可以被物质的运动所拖曳,那么有没有可能存在某种物质的分布与运动,它对时间方向的拖曳如此显著,以至于把未来方向拖曳成过去方向,甚至让不同的时间方向首尾相接, 连成一条闭合曲线呢?这样的闭合曲线如果存在,无疑就是一种时间机器。”

  但如何才能实现那样的时间机器呢?卢昌海介绍说, 物理学家们提出了很多设想,我们常常在科幻小说和科幻片中看到的虫洞就是其中之一。

  虫洞是捷径也是死路

  那么究竟什么是虫洞?它又为什么会被科幻小说家视为星际旅行的工具呢?

  卢昌海举例说:“在一个苹果的表面上从一个点到另一个点需要走一条弧线,但如果有一条蛀虫在这两个点之间蛀出了一个虫洞,通过虫洞就可以在这两个点之间走直线,这显然要比原先的弧线来得近。把这个类比从二维的苹果表面推广到三维的物理空间,就是物理学家们所说的虫洞。”更有意思的是,“虫洞不仅是空间旅行的通道,而且还可以作为时间旅行的工具。只要让虫洞的出入口以接近光速的速度作适当的运动,就可以将虫洞转变成时间机器”。

  但是要想直接通过虫洞穿越并不简单,首先得建立起虫洞。科学家研究发现虫洞中必须存在某种能量为负的奇特物质。“但不幸的是,迄今所知的所有这些负能量物质都是由量子效应产生的,数量极其微小。”卢昌海说,“而为了维持一个半径为一公里的虫洞所需要的负能量物质的数量相当于整个太阳系的质量。”

  但这还不够,因为这样大小的虫洞并不适合星际旅行。卢昌海在《虫洞: 旅行家的天堂还是探险者的地狱?》一文中介绍说:“按照广义相对论,物质在通过像虫洞这样空间结构高度弯曲的区域,会遇到一个十分棘手的问题, 那就是张力。这是由于引力场在空间各处的分布不均匀所造成的,它的一种大家熟悉的表现形式就是海洋中的潮汐。由于这种张力的作用,当星际飞船接近虫洞的时候,飞船上的乘员会渐渐感觉到自己的身体在沿虫洞的方向上有被拉伸的感觉,而在与之垂直的方向上则有被挤压的感觉。当飞船距离虫洞还有1000公里的时候,这种张力已经超出了人体所能承受的极限,所有的乘员都将在致命的张力作用下丧命。再往前飞一段距离,飞船本身将在可怕的张力作用下解体,最终疯狂增加的张力将把已经成为碎片的飞船及乘员撕成一长串亚原子粒子。”因为张力的问题,虫洞的半径需要达到一光年以上,否则人是无法从虫洞中穿越的。

  此外,当我们将虫洞转变为时间机器时,还会遇到另一个棘手的问题,那就是虫洞的自激效应。

  卢昌海说:“虫洞一旦成为时间机器,任何微小的量子涨落都有可能通过这样的虫洞返回过去,与它本身产生叠加。这种叠加过程可以在零时间内重复无穷多次,由此产生的自激效应足以在瞬息之间将时间机器彻底摧毁。”因此,用虫洞作为时间机器的前景是不容乐观的。(实习生 马昌剑)