理論下的“時間旅行”

郭玉川

【摘要】 在相對論和量子力學為基礎的現(xiàn)代物理的幾十年的長足發(fā)展之下，依據(jù)現(xiàn)代物理和數(shù)學工具，在以前看來是幻想的時間旅行已經(jīng)在理論下形成了相對論，蟲洞理論等的時間旅行的可能方式。雖然依靠目前的科學技術甚至都難以驗證其中一些理論的可行性。而且即便理論正確，在可預見的未來也都是難以實現(xiàn)的，但它們卻能為我們以后指明方向，讓我們對這個世界能有一個更加清楚的認識。

【關鍵詞】 相對論 量子力學 蟲洞理論 時間旅行

對于“進行時間旅行”這一話題，大多數(shù)人都是未經(jīng)過嚴謹思考而侃侃而談，一笑而過。而對于當代物理學家，卻是一個極其深奧且復雜的問題。他們試圖通過已知的物理理論和嚴格的數(shù)學證明，使之變?yōu)榭尚?，并期望能逐漸形成相對完整的理論體系。即使這樣，對于這一問題，物理學界依然分歧嚴重。而物理學家索恩曾多次指出：即使物理學定律不允許時間機器，我們?yōu)榱苏J識它們而做的努力，也將強化我們對因果性的認識而帶來很多幫助。[1]

一、愛因斯坦狹義相對論

根據(jù)愛因斯坦的理論，光速在任意坐標系下都保持恒定的值，而且也是一切機械運動和電磁運動中的最大極限值，其大小始終大約為每秒30萬千米。通過基于簡單數(shù)學推論的理想試驗，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)對于牛頓理論體系中“時間是絕對的，且不受任何外界因素的影響，它始終如一地從過去經(jīng)過現(xiàn)在流向未來?！边@一基本觀點實際上存在著重大的缺陷。通過對不同坐標參考系下的運動物體進行洛倫茲變換，他發(fā)現(xiàn)不存在絕對的時間，也不存在絕對的空間。對于不同的坐標參考系它的時間都是不同的，即時間、空間具有相對性。

從狹義相對論可知，對于在一慣性系中運動的物體，其速度越快，它的時間過得就越慢，形成所謂的時間膨脹效應。因此，想要踏上未來之旅，我們所要做的就是使飛行器能足夠快，要使時間效應相對明顯，就需要該飛行器能達到光速范圍。如果能夠制造出速度接近光速的宇宙飛船，那么宇宙飛船必然會因為不能違反光速最快原則，而使艙內的時間放慢。[2]例如：若一飛船以恒定的99%光速在慣性坐標系A中飛行，同時將地球作為慣性坐標系B。地球上的60分鐘，對于飛船上的飛行員來說大概只過了6分鐘時間。此時，對于飛船里面的人來說，他們實際上已經(jīng)進入了未來。不過因為無法實現(xiàn)超光速運動，我們可以通過這樣的方法進入未來，卻無法回到過去。

由狹義相對論可知，若要將物體加速至光速范圍，其質量就會隨速度變得越來越大，甚至變?yōu)闊o窮大，因此就會需要非常大的能量，大到所需的能量也為無窮。然而，這種情況只適用于外部動力。而如果將物體自身質量化作能量的話，就不會出現(xiàn)質量增大至無窮的問題，也就是說，通過這種方法將有可能能使物體飛行速度達到光速。一旦以物體以光速運動的話，就會產(chǎn)生一個使人驚異的結果—空間收縮。對于任意物體間的距離，都縮小為零。因而對于光速運動的東西來說，時間是不存在的，宇宙中的任何地方都是現(xiàn)在，空間上的距離也是不存在的，宇宙中的任何地方似乎都收縮為一點，而不需要花時間就能到達。一旦物體達到光速，那么理論上將不再有任何東西阻礙它繼續(xù)加速到光速。一旦可以達到光速，并超過光速，那么我們就可以逆時間而行，過去的時間將越過時間—光速壁壘重新回來，這樣我們就能回到過去，實現(xiàn)時間旅行。[3]因此，如果我們在理論上承認超光速的存在，那么通過這樣的方法，我們就既可以進入未來，也可以回到過去。

二、蟲洞理論

在1915年，愛因斯坦又一次創(chuàng)造性的提出了另一重要理論—廣義相對論。廣義相對論的應用范圍更強，適用于一切非慣性參考系。根據(jù)廣義相對論，愛因斯坦提出：時間和空間并不是一成不變的，而是會隨著引力場的強弱程度而有所不同，即時空會在引力場中發(fā)生彎曲。若在A，B兩點均存在著強引力場，它們的強大引力會使其周圍的空間發(fā)生扭曲。就像是在一張二維的橡皮膜上放上了一個重物。橡皮膜會隨著重物質量的增加，而使陷落的井變得越來越深，不過此時的空間扭曲和陷落發(fā)生在更高維度而變得無法察覺。若此時A，B兩點扭曲的空間相互接觸，并順利連接在一起，就會產(chǎn)生一種叫做“蟲洞”的結構。這樣奇異的時空結構可以作為愛因斯坦方程的數(shù)學解而出現(xiàn)。因而至少在理論上并不否認該時空結構的存在。這樣的時空結構可以連接宇宙中兩個很遠的兩點，甚至有可能連接著兩個不同的子宇宙。不過此時的蟲洞只是空間上的捷徑，還不是時間機器。

因為時間依賴于引力場的強度，要使蟲洞變?yōu)橐慌_時間機器并成功地進行時間旅行，只需要將蟲洞的某一入口A放在如中子星一樣的強引力場之中，將蟲洞的另一入口放在相對弱的引力場之中，因為此時兩入口在不同的引力場之中，導致兩洞口附近的時間流逝并不相同。此時，若在A，B兩洞口放置兩個相同的時鐘，會明顯地看到洞口A處的時鐘會比B處的時鐘走得更慢，兩洞口之間會形成明顯的時間差，從而制造出一臺時間機器。原則上時間機器可以非常強大，我們與洞口A在強引力場中等待的時間越長，A，B兩洞口之間的時間差就會越大，因而我們可以制造出一臺可以帶我們回到過去數(shù)天，甚至數(shù)年的時間機器。而且若此時我們將蟲洞移開強引力場，他們依然保持之前的時間差，能一直作為一臺時間機器使用。

因此，理論上我們可以制造出一個存在于更高維度的蟲洞結構。通過改變兩洞口處的引力場強弱，并施加人為干預，就可形成一臺回到過去的時間機器。

當然，除了通過加速或者利用蟲洞來進行時間旅行之外，科學家們還想出其它可進行時間旅行的方法。如美國普林斯頓大學的天文學家哥特就認為還可以考慮通過弦論，利用這種奇妙的弦來使得時空發(fā)生扭曲，達到進行時間旅行的目的。而新奧爾良蒂拉恩大學的數(shù)學與物理學家蒂普勒在其一篇名為《旋轉的圓柱體及全面違背因果關系的可能性》的論文中，就設計出一個長100千米，直徑10千米且以極快的速度旋轉密度極大的圓柱體來作為時間機器。當旅行者以螺旋形的路線繞著該圓柱體進入時，就能在時間上回到過去或者前往未來。

三、結束語

總的說來。時間機器是否能夠存在的問題還沒有解決。不過，即使物理定律嚴禁時間機器，也值得我們去考慮它所引發(fā)的問題，因為它可能使我們重新認識時間和因果關系的本質，認識物理學的其他方面。[4]