從物理學(xué)角度分析時空穿越的可能性

解潤宇

【摘 要】時空觀是關(guān)于時間和空間的看法和觀點，是自然觀的重要組成部分。由牛頓經(jīng)典力學(xué)體系衍生出的絕對時空觀使人們認(rèn)識到世間一切皆在做機(jī)械運動。20世紀(jì)初相對論橫空出世，從根本上改變了人們對時空的看法：時間、空間和物質(zhì)是緊密聯(lián)系、密不可分。但是時間和空間能像科幻小說里那樣做到隨意穿越嗎？本文就時空穿越在現(xiàn)實生活中的可能性簡要分析。

【關(guān)鍵詞】相對論；、時空觀；時空穿越

時空穿越到底存不存在呢，提到這個想法，我聯(lián)想到幾年前的一部美國大片《星際穿越》，我們來簡單地討論一下這部電影中關(guān)于時空穿越的理論意義和可行性，這個電影里面提到的幾個物理概念，黑洞、蟲洞、時光機(jī)器等，我們先對這些名詞做一下解釋。

黑洞是空間中有著強(qiáng)大引力的超高密度的天體，黑洞的特點就是有進(jìn)無出。另外，因為沒有光從黑洞逃出，故無法直接觀測黑洞，但是從物體被黑洞吸入之前放出的紫外線、X射線等邊緣信息可以知道黑洞的存在。

蟲洞這一概念，最早是1916年由奧地利物理學(xué)家路德維?！じトR姆首次提出的，1930年由愛因斯坦及納森·羅森在研究引力場方程時假設(shè)的，認(rèn)為透過蟲洞可以做瞬時的空間轉(zhuǎn)移或者做時間旅行。

關(guān)于蟲洞存在著幾種說法：一是蟲洞是宇宙中相距遙遠(yuǎn)的兩點間的一條捷徑，就像一個蘋果，蟲子沿著蘋果表面會走很遠(yuǎn)，可是如果蟲子挖洞從蘋果里面走就近多了，顧明思議，蟲子為了抄近路而在蘋果里挖的洞。二是蟲洞是連接黑洞和白洞或黑洞與黑洞的管道，故在黑洞里能找到蟲洞。

時光機(jī)器，簡單點說就是能不受時間和空間的限制，在任意的時間地點，躍遷式地到達(dá)另外的時間地點。

而《星際穿越》這部電影里講述了一隊探險家利用他們針對蟲洞的新發(fā)現(xiàn)，超越人類對于太空旅行的極限，從而開始在廣袤的宇宙中進(jìn)行星際航行的故事。

有人覺得時空穿越只是科幻電影小說里面的情節(jié)，在現(xiàn)實世界中可能實現(xiàn)嗎？本文就時空穿越在現(xiàn)實生活中的可能性簡要分析。

在物理學(xué)上，提到對時間和空間的研究，不得不提的兩位科學(xué)家：牛頓和愛因斯坦。

在牛頓的時空觀主要包含這兩個方面：

1、同時性是絕對的

同時性指在不同地方發(fā)生的兩件事情，對于任何慣性參照系來說它們必定是同時發(fā)生的，它是絕對并且無條件的。因此，兩個鐘表不管把它們放在任何地方，無論它們是否產(chǎn)生相對運動，鐘表總是同步的。由此看來，牛頓的絕對時空觀似乎是符合我們的生活常識。

2、時間是絕對的，空間也是絕對的

按照牛頓絕對時間和絕對空間的觀點，時間和空間各不相關(guān)，而且時間和空間是脫離物質(zhì)運動而存在的，即時間和空間只是單獨的存在，這種存在不受周圍任何事物的影響。[1]

牛頓的絕對時間觀和絕對空間觀是符合我們的生活經(jīng)驗的，并且適用于當(dāng)時的科學(xué)實驗，因而人們很容易理解和接受這種觀點。在19世紀(jì)末，麥克斯韋電磁理論的發(fā)展起來，用牛頓的絕對時空觀解釋在微觀高速下的運動的物體時出現(xiàn)其局限性，它無法解釋微觀高速運動的物體。正是在這種背景下，發(fā)生了現(xiàn)代物理學(xué)革命，相對論出現(xiàn)在人們眼前。愛因斯坦相對論革新了牛頓的時空理論，創(chuàng)建了新的時空學(xué)說。

愛因斯坦相對論對時空觀點的革新包括以下幾個方面：

1、同時性是相對的

依照光速不變原理，狹義相對論認(rèn)為不同地方的兩件事情，在某個慣性參照系中來看，它們是同時發(fā)生的，然而相對于這個慣性參照系運動的其它任何慣性參照系來看，它們就不是同時發(fā)生的。因而同時性是相對的，時間與物質(zhì)運動有關(guān)。

2、時間是相對的，空間也是相對的

與牛頓的時空理論不同，愛因斯坦狹義相對論的時空觀認(rèn)為時間間隔是相對的，最能說明這一點的便是大家熟知鐘慢。它主要說的是對于每一位觀察者來說，都有他們自己的時間測度，這就反映了時間是相對的?？臻g也不是牛頓時空理論中所認(rèn)為的那樣是絕對的，空間也是相對的，尺縮效應(yīng)中長度的相對性就證明了空間是相對的。

但是這些效應(yīng)又是很難被日常生活中的我們所理解的，因為這些效應(yīng)都是在速度接近光速的高速運動過程中產(chǎn)生的，而我們通常無法感知。

3.時間和空間是緊密相聯(lián)的，并且與物質(zhì)運動密不可分

在牛頓絕對時空觀中，時間均勻流逝，空間則是個與任何事物無關(guān)的、靜止不動的容器。而愛因斯坦狹義相對論的時空學(xué)說認(rèn)為時間和空間不能各自獨立存在，時間與空間是緊密聯(lián)系的。一個物體的長寬高表明它的空間，可卻是以時間為尺度的，時間是物質(zhì)運動的連續(xù)，空間則是物質(zhì)運動的延伸。離開物質(zhì)運動而獨立存在的時間和空間是毫無意義的。[3]

相對論顛覆了人類對宇宙和自然的常識性觀念，提出了“時間和空間的相對性”、“彎曲空間”等全新的概念，那么時空旅行是否存在可能呢？

很多文獻(xiàn)中提到旅行到未來[4]是有可能的，相對論顯示，當(dāng)你坐在一個時間機(jī)器里，它發(fā)射升空，加速到接近于光速后飛行一段時間，然后返回?；谙鄬φ撝袝r空相關(guān)性的原理，在你走出時間機(jī)器后，地球流過的時間比你在飛船里度過的時間更為長久。因此從你的眼光看來，你旅行到了未來，即在慣性參考系中動鐘變慢，也就是鐘慢效應(yīng)。我們假設(shè)，有一個十米的加速走廊，進(jìn)去之后速度會趨近于光速，那么當(dāng)走進(jìn)這個走廊后，其中的時間就相對外界的變很慢了，于是就出現(xiàn)了內(nèi)部所感知到外部的未來時間了。

根據(jù)經(jīng)典力學(xué)，以地球作為一個基點，距離地心的距離越近，時間受到的引力越大，那么時間彎曲程度越大，流逝的速度越慢；當(dāng)時間機(jī)器遠(yuǎn)離地球，受到的地球的引力越小，時間受到的引力也越小，流逝的速度要加快，按照這樣解釋，這個旅行者當(dāng)他返回的時候，已經(jīng)回到了過去。所以這種解釋是矛盾的。

那么，時空逆旅行是如何實現(xiàn)呢，科學(xué)家提出必須進(jìn)行超光速[5]運行，但是相對論和目前的實驗告訴我們，粒子可以加速到無限趨近與光速，但無論如何是達(dá)不到光速的。因為只有打破光速壁壘，在超光速成為可能的時候，才有可能實現(xiàn)逆時旅行，也就是回到過去。這似乎已經(jīng)告訴我們，逆時旅行是不可能的。

但科學(xué)家們，又考慮到通過蟲洞，來實現(xiàn)逆時旅行。[6]在蟲洞理論中，由一個宇宙可能產(chǎn)生另一個宇宙，而且宇宙中也有可能有無數(shù)個這種微細(xì)的洞穴，它們可通往一個宇宙的過去及未來，或其他的宇宙。由此就實現(xiàn)了逆時的旅行。同時通過蟲洞，能夠一瞬間就能到達(dá)宇宙中另外的很遙遠(yuǎn)的地方，這就是所說的空間穿越。[7]

但是在許多研究和相關(guān)理論證明中發(fā)現(xiàn)蟲洞結(jié)構(gòu)極其不穩(wěn)定，而且穿越者很難承受其中的輻射、引力等，所以通過蟲洞進(jìn)行時空旅行存在理論可能，但現(xiàn)實是很難實現(xiàn)的。

總而言之，目前越來越多的實驗和現(xiàn)象表明，時空穿越理論上可能是能夠?qū)崿F(xiàn)，但在實際中，不管是穿越蟲洞的苛刻條件、是逆時穿越的可能性、未來世界的不可預(yù)見性和因果律都很難被證明。以上就是我對時空穿越問題的一些看法。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王瑞、陳新亮.對愛因斯坦相對論變革時空觀的思考

[2]鄭慶璋，崔世治.相對論與時空 [M].山西： 山西科學(xué)技術(shù)出版社，2005.21.

[3]王鴻生. 科學(xué)技術(shù)史 [M] . 北京： 中國人民大學(xué)出版社，2011. 208.

[4]楊波. 時間旅行[ J] . 中國科技縱橫， 2003， 11： 106-112

[5]劉天宇. “駕駛” 地球逃跑[ J] .大科技、科學(xué)之謎， 2008， 10： 55

[6]李林、單長吉、潘夢鵠.蟲洞理論與時空穿越的問題探討 （ 2011） 04 -0033-02

[7]梁子.天下奧秘 物理教學(xué)探討