宇宙三禁律

傅小松

著名的天文學(xué)家和科普作家卡爾·薩根曾經(jīng)提出一個極為深刻的問題：物理學(xué)定律容許無限發(fā)達的文明做些什么?又嚴禁他們做什么?卡爾·薩根推測，在遙遠的將來，無限發(fā)達的文明將可能實現(xiàn)一些今天我們看來不可思議的奇跡(甚至實現(xiàn)像“暴脹論”創(chuàng)始人艾倫·古斯提出的用9千克物質(zhì)再造一個宇宙的這類瘋狂夢想)。但仍有些事情，人們一直夢寐以求，不斷有人絞盡腦汁論證它的可行性，但卻永遠是一個神話。用物理學(xué)家的話說：“宇宙禁止這種事情發(fā)生”。時間機器、空間捷徑以及超光速運動可能就是這種事情，我稱之為宇宙三禁律。

時間機器：美夢難圓

自從英國科幻小說鼻祖威爾斯1895年出版《時間機器》一書以來，關(guān)于制造時間機器、實現(xiàn)時間旅行便一度成為科幻小說及影視中的熱門題材，甚至有些泛濫。時間機器，這個怪物確實讓人激動又忐忑不安。如果真能返回過去，那就意味著可以返老還童，重塑人生，甚至是再造人類乃至地球的歷史!然而，這種令人神往的圖景帶來的不全是美妙，也帶來混亂甚至是恐怖。一個人通過時間旅行可以來到他出生以前，殺死他的父親、母親，甚至是外祖父，從而使自己無法出生。這就是聳人聽聞的關(guān)于時間機器的“祖孫悖論”。由此，許多科學(xué)家、哲學(xué)家均斷言：一個合理的宇宙將禁止時間機器的制造。

盡管時間機器荒誕不經(jīng)，但仍有不少科學(xué)家鉆進這個牛角尖，從理論上探索時間旅行的可能性。1937年，斯托庫姆發(fā)現(xiàn)愛因斯坦場方程的一個解。在這個解中，一個快速旋轉(zhuǎn)的無限長柱體起著時間機器的作用，稱之為“旋轉(zhuǎn)柱”。但顯然宇宙中不存在這種無限長的旋轉(zhuǎn)柱體。1949年，哲學(xué)家哥德爾又發(fā)現(xiàn)了一個愛因斯坦方程的解，描述了一個旋轉(zhuǎn)但靜止的全宇宙，一個人只要離開地球到很遠的地方然后返回，他就可以回到過去。這個解同樣沒有實際意義，因為我們的真實宇宙既不旋轉(zhuǎn)又非靜止。后來，普林斯頓大學(xué)的哥特又提出可以通過兩根無限長的宇宙弦以極高速度相對移動來做時間機器。可惜，宇宙弦是宇宙中一種可能存在也可能不存在的假想物體。即使宇宙弦存在，無限長的東西也不可能存在。這種設(shè)想也純屬空想。

真正有價值的有關(guān)時間機器的探索是美國物理學(xué)家基普·索恩有關(guān)蟲洞的透徹研究。蟲洞是一種超空間的假想捷徑。他論證：一個無限發(fā)達的文明可以用量子的辦法或經(jīng)典的辦法(扭曲空間)制造“蟲洞”，并運用奇異物打開它。這種蟲洞既可實現(xiàn)空間旅行，又能成為時間機器。

1988年，基普與他的學(xué)生聯(lián)合發(fā)表了《蟲洞、時間機器和弱能量條件》的論文，引起巨大反響。有些傳媒以《物理學(xué)家發(fā)明時間機器》為題大肆宣揚，基普被稱為“發(fā)明時間旅行的人”，但科學(xué)界對此工作褒貶不一。理論物理大師霍金就完全不同意基普的論證，他指出：這種蟲洞在成為時間機器之前(據(jù)說是不可想像的10－55秒)，會有一束真空漲落將它破壞無遺。

看來時間機器注定是竹籃打水一場空?；艚鸢汛笞匀唤箷r間機器表述為一個能維護時間次序的“良序猜想”。他強調(diào)，這個猜想能“保證時間不會破壞歷史”。

空間捷徑：無法通過

在愛因斯坦之前，沒有人設(shè)想過空間捷徑或時空隧道?？臻g中兩點間直線為最短距離，怎么會有比直線更短的通道呢?1915年，愛氏提出了廣義相對論，闡明了時空彎曲的概念。于是，空間捷徑的想法開始出現(xiàn)。

最早提出的空間捷徑就是所謂蟲洞。它是1916年有人求解愛因斯坦場方程所發(fā)現(xiàn)的。蟲洞有兩個洞口，從外面看，相距極其遙遠，而洞中超空間的隧道卻極短，甚至只有幾厘米。

假如存在這樣一個蟲洞，它的一個洞口在地球附近，另一個洞口在織女星附近，兩洞口外空間距離為26光年，而洞本身僅長1千米！真是名副其實的空間捷徑！然而，20世紀50年代，惠勒等人研究表明：蟲洞從打開到關(guān)閉到消失，時間極短，變化莫測，根本無法把握。任何事物包括粒子，都無法穿越它。誰想去試試，一定在它的消失中毀滅。后來，基普通過深入研究，發(fā)現(xiàn)可用一種具有負能量密度的奇異物將蟲洞洞壁撐開，但物理學(xué)家長期以來懷疑這一“奇異物”的存在。

于是又有人提出把黑洞變成一種空間捷徑。根據(jù)流行的黑洞理論：如果你落入一個旋轉(zhuǎn)的黑洞，你便可能穿過時空的一個小洞而到宇宙的另一個區(qū)域去。這顯然就有了超空間旅行的可能性，但你無法選擇目的地。也許你想到處女星座度假，而結(jié)果卻到了蟹狀星云。這種情景看起來十分浪漫，而黑洞專家告訴你實際上行不通。你通過黑洞到達另一個宇宙區(qū)域是在所謂虛時間里發(fā)生的。在實時間里，你的結(jié)局是會很悲慘的，作用在你頭上和腳上的引力會把你撕成“意大利面條”，甚至連構(gòu)成體的基本粒子也不能幸免，并最終在一個奇點處終結(jié)。

除蟲洞與黑洞外，又有人設(shè)想發(fā)明一種叫空間翹進器的飛船，不斷將前面的空間壓縮，從而實現(xiàn)超空間飛行。但壓縮空間需要有難以想像的能量，這是人類無法實現(xiàn)的。

看來，大自然雖然保留了空間捷徑存在的可能性，但不允許我們通過，我們的空間旅行只能老老實實地一步一個腳印，別無他途。

光速極限：不可逾越

眾所周知，愛因斯坦的狹義相對論規(guī)定，真空中的光速是宇宙中一切物體運動速度的上限。根據(jù)狹義相對論公式，物體運動速度愈快，時間間隔愈大，空間間隔愈小，慣性質(zhì)量愈大。假如物體運動達到光速，則運動物體時間將膨脹至無窮大，運動物體長度將收縮為零，運動物體慣性質(zhì)量將達到無窮大。這三個結(jié)果都是不可想像的，如果物體運動進一步超過光速，那就更加不可思議了。僅就運動物體質(zhì)量達到無窮大而言，又有多少如此大的能量能推動這一物體運動呢？

愛因斯坦建立狹義相對論后，牛頓的萬有引力定律曾讓他一度困惑。萬有引力似乎是萬物間一種普遍存在的即時、超距的力，它的傳播速度幾乎是無限的。這與“真空中光速是全宇宙中最快的速度”的理論相矛盾。后來，愛因斯坦建立廣義相對論，把萬有引力解釋為時空彎曲的幾何性質(zhì)，這才消除了這一矛盾。

愛因斯坦的“光速上限”，大多數(shù)人深信不疑，也有人幻想能打破這一極限。有人提出，當(dāng)物體靜止質(zhì)量為負時，將出現(xiàn)超光速，甚至百倍、千倍、萬倍于光速。這種說法沒有太多的科學(xué)依據(jù)。2000年7月20日，《自然》雜志刊載了美籍華人科學(xué)家王利軍等人的科學(xué)論文，稱首次在實驗室把光速提高300倍。論文激起軒然大波。很多人借此質(zhì)疑真空中每秒30萬千米的光速上限，繼而質(zhì)疑相對論。后來，實驗人員出面澄清，他們發(fā)現(xiàn)的是所謂光波群速度，而波頭速度始終不超過光速，因此與狹義相對論仍然吻合。光速上限理論遭遇一場虛驚。

大自然不允許物體運動超過光速，但宇宙浩瀚無垠，動輒以千百光年計算，而人生則短暫如白駒過隙，這是否意味著星際旅行永難實現(xiàn)?也非如此，作為補償，大自然巧妙安排了接近光速運動的時間膨脹效應(yīng)。一位宇航員以接近光速去幾千光年外的恒星旅行，然后返回地球，他自己實際只需要幾十年時間，只是地球上的人們需要幾千上萬年地等待。但這點時間對宇宙而言，卻遠非地老天荒，只是短短一瞬而已。