時間旅行的遐想

讓我們設(shè)想這樣的情況：一位航天員駕駛著宇宙飛船，以相對一位靜止觀察者240 000千米，秒的速度飛行的同時，飛船又以240000千米，秒的速度朝前方射出了一個物體。按照一般常識，靜止觀察者可以把兩個速度相加得到被發(fā)射物體的速度，即480 000千米/秒。但是，這個速度要比光速(299 725千米/秒)還快，按照愛因斯坦的狹義相對論，這是不可能的。根據(jù)相對論公式，靜止觀察者測量到的射出物體的速度應(yīng)當(dāng)是292470千米/秒，只比飛船的速度快52470千米/秒。速度怎么會丟失呢?要回答這個問題，必須對時空本質(zhì)進(jìn)行一番研究。從這樣的研究中，我們可以得到啟示，有朝一日我們能通過時間，進(jìn)行往返終極旅行。

近代時空觀

經(jīng)典的概念把時間視為像江河那樣川流不息，而與人類活動無關(guān)；但是，認(rèn)為時間能加快、延遲或改變的說法是不對的。無情流逝的年華畢竟是絕對、客觀的。近代物理學(xué)家在研究所謂可以壓縮和拉伸的彈性時間問題，他們也在談?wù)摃r間凝固和不存在的一些離奇的地方。根據(jù)愛因斯坦相對論，當(dāng)宇宙飛船的速度接近光速時，航天員的動作會顯得很遲鈍，他的表要變慢，他的尺子要變短，用地球上的時間來衡量，他的每一分鐘都變長了。這就是時間膨脹的含義。飛船越接近光速，航天員的表就走得越慢，尺子也變得越短。如果他能達(dá)到光速，那么，他的尺子將會縮短到零，時間也就會完全停止。由于存在這些奇特的效應(yīng)，航天員用縮短的尺子和走慢的表(現(xiàn)在，他的1分鐘等于2分鐘)測量的射出速度，自然就會比靜止觀察者用正常度量單位測量的大得多。而在航天員看來，他的表和尺子都很正常，似乎是宇宙里別人的速度在減慢，長度縮短了。再進(jìn)一步，如果能以超光速飛行的話，時間就會倒退。在這種情況下，航天員旅行回來的日子就會在他離開的日子之前。這似乎是絕對不可能的，但是在某種情況下，卻正是將要出現(xiàn)的事實(shí)!相對論的時間概念說明，時間的伸縮性由觀察者的運(yùn)動狀態(tài)所決定。上述宇宙飛船發(fā)射物體的例子就是一個簡單的、業(yè)已證明的彈性時間的例證。根據(jù)相對論的理論，這種情況之所以可能，是因?yàn)榭臻g和時間緊密相關(guān)，它們不能相互脫離而存在。

1915年，愛因斯坦將狹義相對論擴(kuò)展到廣義相對論，他指出：在巨大質(zhì)量附近，空間會彎曲。這種彎曲會影響物體的運(yùn)動，顯示它是一種力，在這里就是引力。光是能量的一種形式，也有質(zhì)量，在引力場中會彎曲。1919年愛丁頓發(fā)現(xiàn)光通過太陽近旁時彎曲，證明了在巨大質(zhì)量的周圍時空的確會發(fā)生彎曲。后來，通過使用高精度原子鐘，科學(xué)家證明了處于引力場中的時鐘的確會走慢。當(dāng)然，這個效應(yīng)很小，在離地球表面1.6千米處，時鐘每20萬年才慢1秒。

時間旅行

上述所講的空間彎曲的效果是微小的，對未來的時間旅行不會有什么價值。但是，我們從中已經(jīng)看到了引力和時間是密切相關(guān)的。從現(xiàn)實(shí)意義上講，我們需要找到強(qiáng)得多的引力源。我們知道，那些核燃料消耗殆盡的恒星，由于自身強(qiáng)大的引力而塌縮，就形成了初始質(zhì)量不同的三類天體：白矮星、中子星和黑洞。這些超致密的恒星物質(zhì)核可能就是通向宇宙遙遠(yuǎn)角落的大門，同時也可能就是通往遙遠(yuǎn)未來和古老過去的時間之扉。三者之中最有希望為時間旅行提供可能性的是宇宙中最為奇特的天體——黑洞。如果塌縮中的恒星具有大于3倍太陽的質(zhì)量，內(nèi)部的引力將壓倒一切阻力而繼續(xù)塌縮，以致其密度和引力場大到任何東西都無法逃逸，甚至光。當(dāng)質(zhì)量10倍于太陽的恒星塌縮至一定半徑時，上述情況就會發(fā)生。這個半徑所決定的球面邊界稱為“出事線”。由于沒有什么力量阻止，恒星還要繼續(xù)塌縮，在若干分之一秒內(nèi)，所有質(zhì)量縮至一個無限小的點(diǎn)——“奇點(diǎn)”。在奇點(diǎn)上，時間和空間已不復(fù)存在。在航天員看來，時間很正常，只不過引力漲落使他感到很不舒服。他不斷地加速，在越過“出事線”后，只經(jīng)過一百萬分之六十七秒，就闖入了“奇點(diǎn)”，自身也就不復(fù)存在了。正當(dāng)我們勇敢無畏的航天員越過“出事線”前的瞬間，他將發(fā)現(xiàn)整個宇宙和其中所有的時鐘都在瘋狂地加速，每秒相當(dāng)于10億年。在他越過“出事線”之時，宇宙的整個未來都將在他的眼前閃過。這就是一種單向旅行的方式，在這種情況下，航天員永遠(yuǎn)不能回到他出發(fā)前的那個時刻了。

什么是雙向時間旅行呢?前面已經(jīng)講過，任何物體只要加速到接近光速，時間就會出現(xiàn)畸變。設(shè)想一位航天員在22歲生日當(dāng)天以98％的光速飛向25光年遠(yuǎn)的星球，當(dāng)他回來時，他將發(fā)現(xiàn)自己正好來得及過32歲生日。越是接近光速這個效應(yīng)越明顯。比如，當(dāng)速度達(dá)到光速的99.999％時，我們的航天員就能在幾年時間內(nèi)跑遍整個銀河系，而地球上已度過了30萬年!如果是用火箭加速器來進(jìn)行這次旅行的話，所消耗的能量將是地球整個歷程所消耗能量的數(shù)百萬倍。不過，從理論上看，這卻是完全可能的。通過時間膨脹單程進(jìn)入未來(已由高能物理實(shí)驗(yàn)所證實(shí))，再通過某種途徑回到我們的宇宙來完成時間旅行。雖然這種形式不容易為大多數(shù)人所接受，但它已經(jīng)向我們透露了宇宙的真正奇妙之處，并向我們打開了通向更加奇異的效應(yīng)的大門。

時間旅行的可能性

宇宙中所有的星球都在旋轉(zhuǎn)，而且塌縮時越轉(zhuǎn)越快，因此可以認(rèn)為，不旋轉(zhuǎn)的黑洞是極其稀有的，而旋轉(zhuǎn)黑洞對時間旅行家來說，又有許多文章可做。理論預(yù)測指出，如果黑洞質(zhì)量足夠大，人們就能穿越黑洞的“出事線”進(jìn)入另一個宇宙而不受損害。依所取的路線不同，航天員可進(jìn)入未來宇宙或過去宇宙，一個由負(fù)空間和反引力構(gòu)成的宇宙或是在不同的時間進(jìn)入我們自己的宇宙。這些奇異的效應(yīng)是真實(shí)的嗎?是沒有任何現(xiàn)實(shí)意義的數(shù)學(xué)增根嗎?設(shè)想有一個木匠要算出一間面積為256平方米的正方形房間的邊長，答案當(dāng)然是16米，即256的平方根。但256的平方根可以是+16，也可以是-16。由于-16米沒有什么實(shí)際意義，因此這位木匠選用了正值。他這樣做是不假思索的，只有物理學(xué)家和哲學(xué)家對此要思考一番。哥倫比亞大學(xué)的范因堡研究了相對論后指出，相對論公式并不排除超光速旅行，不允許發(fā)生的只是以光速飛行。由于我們都生活在亞光速的世界里，因而都被不可逾越的光障禁錮在現(xiàn)有的狀態(tài)中。但是，一道屏障總有兩面。設(shè)想有一類粒子全都以超光速運(yùn)動而存在，光速是超光速粒子的下限，因?yàn)樽畹湍軕B(tài)意味著以無窮大速率運(yùn)動。當(dāng)然，我們感興趣的是超光速粒子與時間的關(guān)系。正如我們接近光速時時間變慢一樣，超光速粒子也是這樣，不過有一點(diǎn)不同：在超光速粒子世界里，時間甚至可以倒退。有的物理學(xué)家認(rèn)為超光速粒子不過是數(shù)學(xué)異常，應(yīng)予以摒棄，正如-16米對木匠來說毫無意義一樣。

有沒有證據(jù)證明超光速粒子的存在呢?1973年，克雷和克羅許兩位科學(xué)家研究了能量極大的宇宙線雨，它們是由宇宙射線同地球高層大氣原子發(fā)生碰撞后產(chǎn)生的?？死缀涂肆_許推想，如果存在超光速粒子，而且能在這種碰撞中產(chǎn)生出來，那么它們將比宇宙射線先到達(dá)地面，因?yàn)橛钪嫔渚€的速度接近光速。在對1000例宇宙線雨進(jìn)行研究之后，他們發(fā)現(xiàn)事實(shí)正是如此。在宇宙射線到達(dá)之前，確實(shí)測到了某種東西，這雖然還不能證明超光速粒子的存在，但暗示了這個方向。我們還可以做進(jìn)一步的推想，如果超光速粒子存在的話，那么反超光速粒子就會存在。

物理學(xué)家費(fèi)恩曼曾經(jīng)指出，正電子可以看成是時間上倒退的電子。這樣看來，反超光速粒子就是沿時間向后運(yùn)動的超光速粒子。有些物理學(xué)家還預(yù)測，在光障的另一面存在著超光速粒子世界，而不必經(jīng)歷光速運(yùn)動的階段。在超光速粒子世界里，我們將能突然穿越時間和空間，然后再按我們選定的時間和地點(diǎn)潛回我們的宇宙。這一設(shè)想我們可以用電子器件中的電子運(yùn)動狀態(tài)比擬。電子器件中，電子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)時，一般都要通過中間狀態(tài)，但在隧道二極管中情況就不同，電子從勢壘的一邊到另一邊可以直接穿越勢壘，即所謂的隧道效應(yīng)。另外，量子物理指出，物質(zhì)和能量都是不連續(xù)的，是一份一份的，而宇宙就是由這些小的份額組成的。時空本身是否也是這樣的呢?如果把時空量子化，就能避免發(fā)生與黑洞有關(guān)的一些問題。然而，即使是這樣，仍然存在著時間更加激動人心的可能性。

我們目前正處于科學(xué)的異常奇異的門檻上，我們通過理論物理學(xué)的狹縫，看到了一些回答上述問題的出路。宇宙遠(yuǎn)比我們想象的更奇特，對于雙向時間旅行，數(shù)學(xué)不但為它提供了一席之地，而且向我們預(yù)示了未來的方向。