文/蝌蚪五線(xiàn)譜
近年來(lái)，時(shí)空穿越劇越來(lái)越多了，比如最近流行的《星際穿越》就吸引了很多人的眼球。此電影可以說(shuō)是2014年度最杰出的科幻大片，各大科普網(wǎng)站與娛樂(lè )網(wǎng)站紛紛報道。其實(shí)，對于1980年后出生的人，其中有很多也喜歡看時(shí)空穿越劇，如系列電影《終結者》、《大話(huà)西游》，還有周杰倫主演的電影《不能說(shuō)的秘密》，從內容和情節上看，這些電影等藝術(shù)作品講的都是穿越時(shí)空的故事，其實(shí)穿越時(shí)空的本質(zhì)屬于廣義相對論。那么，我們在何種條件下才有可能像穿越劇中的人物那樣穿越時(shí)空改變歷史呢？
時(shí)空穿越劇《星際穿越》海報
在什么樣的宇宙中可以自發(fā)地回到過(guò)去？
人類(lèi)能不能回到過(guò)去？這是一個(gè)非常有趣的問(wèn)題。首先回到過(guò)去這件事情是發(fā)生在時(shí)空之中的，我們需要對時(shí)空的結構有所了解。時(shí)空從字面意思上來(lái)說(shuō)就是時(shí)間與空間的結合體。中國古代有“宇宙”的說(shuō)法，其中的“宇”就是空間，“宙”就是時(shí)間。所以，宇宙就是時(shí)空。因為時(shí)空本身像房子一樣，是有結構的，可能存在樓梯，或者煙囪等復雜結構。因此，總的來(lái)說(shuō)，想回到過(guò)去，就相當于要在時(shí)空中存在閉合類(lèi)時(shí)曲線(xiàn)(所謂“類(lèi)時(shí)”，就是物體在每一個(gè)時(shí)空點(diǎn)的運動(dòng)速度不超過(guò)光速)，閉合類(lèi)時(shí)曲線(xiàn)就好像是一條咬著(zhù)自己尾巴的蛇，時(shí)間在過(guò)去與未來(lái)組成一個(gè)封閉的圈，所以分不清楚過(guò)去還是未來(lái)。以下是一些基于相對論的說(shuō)法：這在一些奇怪的宇宙時(shí)空，比如哥德?tīng)枙r(shí)空中，回到過(guò)去在理論上是非?？赡艿?。哥德?tīng)枙r(shí)空是一個(gè)真空，但它是旋轉的，因為在那里，高速的旋轉在時(shí)空中產(chǎn)生旋渦，這些時(shí)空漩渦能引起閉合類(lèi)時(shí)曲線(xiàn)的存在——這就好像抽水馬桶在沖水的時(shí)候會(huì )產(chǎn)生旋渦一樣，時(shí)空漩渦會(huì )導致封閉的類(lèi)時(shí)曲線(xiàn)存在。
時(shí)空漩渦
哥德?tīng)柺菒?ài)因斯坦到美國普林斯頓高等研究院以后的同事(愛(ài)因斯坦以前在德國生活，后來(lái)，希特勒迫害猶太人，愛(ài)因斯坦是猶太人，對希特勒很不滿(mǎn)，于是來(lái)到了美國)，哥德?tīng)柺且粋€(gè)數理邏輯方面的專(zhuān)家，以他名字命名的不完備性定理可以說(shuō)，給了所有試圖追求大統一理論的人以致命一擊：所有理論體系都不是自我完備的——總存在“先有雞還是先有蛋”這樣的難題是無(wú)法破解的。在數學(xué)中，比如像“連續統假設”這樣的猜想，最后也被證明是既不可證偽也不能證實(shí)，邏輯系統的集合會(huì )被邏輯本身刺破。這樣的例子還有很多，比如廣義相對論的愛(ài)因斯坦引力方程最后會(huì )在時(shí)空中產(chǎn)生奇性，而這個(gè)奇性的地方，廣義相對論本身就破產(chǎn)了(關(guān)于黑洞的奇性可以參考本文作者在蝌蚪五線(xiàn)譜網(wǎng)站上發(fā)表的以下5篇關(guān)于《星際穿越》的科普文章)。
《星際穿越》中的永恒號離黑洞有多遠？
《星際穿越》中的蟲(chóng)洞為什么是一條捷徑？
《星際穿越》是如何避免時(shí)空悖論的？
為什么《星際穿越》巨浪星上1小時(shí)≈地球上7年？
關(guān)于黑洞《星際穿越》有哪些未解之謎？
哥德?tīng)柺且粋€(gè)不折不扣的天才，愛(ài)因斯坦給他講了半天相對論，他就學(xué)會(huì )了相對論的基本原理與思想方法，過(guò)了幾個(gè)月，他自己找到了愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程的解，這個(gè)解被稱(chēng)為哥德?tīng)枙r(shí)空。在這個(gè)時(shí)空的一些區域，特定的人站在地上不動(dòng)，就能回到自己的過(guò)去，這是很神奇的。在這個(gè)時(shí)空的一些區域，某人站在地上不動(dòng)，但因為時(shí)間永遠流逝，所以他沿著(zhù)時(shí)間旅行就能回到自己的過(guò)去——因為這個(gè)人的質(zhì)量不等于零，所以他在空間中的速度小于光的速度，因此，其世界線(xiàn)會(huì )構成一個(gè)閉合類(lèi)時(shí)曲線(xiàn)。對于這一點(diǎn)，熟悉相對論的人可以與愛(ài)因斯坦轉盤(pán)模型進(jìn)行類(lèi)比，在愛(ài)因斯坦轉盤(pán)里，轉盤(pán)邊緣上的那群觀(guān)察者們覺(jué)得的“空間”也不是封閉的一個(gè)圓，而是一個(gè)開(kāi)放的曲線(xiàn)——在轉動(dòng)的情景下，空間與時(shí)間一樣都頗為玄妙。哥德?tīng)柕陌l(fā)現需要比較高的數學(xué)技巧，從物理上來(lái)說(shuō)，則非常簡(jiǎn)單，就是存在可以回到自己過(guò)去的觀(guān)察者。
愛(ài)因斯坦與哥德?tīng)?/div>
在我們這個(gè)宇宙中，如何才能回到過(guò)去？
在一般的時(shí)空中，比如我們的宇宙(被稱(chēng)作弗里德曼、羅伯遜、瓦爾克宇宙模型，即F-RW時(shí)空)并不像哥德?tīng)枙r(shí)空那樣旋轉——我們的宇宙空間沒(méi)有漩渦，是平坦的(這是一個(gè)重要的結論，來(lái)自于對宇宙微波背景輻射的分析，空間平坦性被認為是來(lái)自于宇宙極早期的暴漲)。因此，一般認為，我們的現實(shí)宇宙中很難出現大的漩渦結構，因此從宇宙的角度來(lái)說(shuō)，可能不存在類(lèi)似于哥德?tīng)柲菢拥幕氐竭^(guò)去的解。但是，別忘了我們宇宙內部還有很多黑洞，而黑洞是可以旋轉的，這叫做克爾黑洞(但我們現在只討論整體宇宙)。在廣義相對論中，奇點(diǎn)的出現使物理在那里失調。愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程的解比如史瓦茲齊德解具有球對稱(chēng)性，F-RW解則是均勻及各向同性的。這個(gè)可以解釋我們宇宙目前的真實(shí)狀態(tài)，因此，F-RW時(shí)空就是真實(shí)的宇宙。我們的宇宙空間沒(méi)有旋轉，所以假設我們要回到過(guò)去，則相當于要求在宇宙這個(gè)四維時(shí)空的某一個(gè)區域要有蟲(chóng)洞。
蟲(chóng)洞的存在需要負能量密度的支撐(見(jiàn)本文末的視頻鏈接)，而我們宇宙中的物質(zhì)基本全是正能量的，因此打開(kāi)一個(gè)時(shí)空隧道，很難在技術(shù)上實(shí)現。因為在我們人類(lèi)能夠產(chǎn)生的物質(zhì)與能量狀態(tài)中，物質(zhì)一般具有正能量，負能量物質(zhì)非常渺小，而且是不穩定的——兩塊相距1米的金屬板之間的卡施米爾效應，它所產(chǎn)生的負能量的密度相當于在每十億億立方米的體積內才有一個(gè)(負質(zhì)量的) 基本粒子！而且間距越大，負能量的密度就越小。因此，在任何宏觀(guān)尺度上由量子效應產(chǎn)生的負能量都是微乎其微的。
負能量物質(zhì)在我們這個(gè)世界里就好像在湖水里，不借助其他的隔離物挖出一個(gè)大坑，這個(gè)大坑不能被水充滿(mǎn)。當然，因為在理論上，宇宙中還是有負能量物質(zhì)的，因此，雖然很困難，但也不是完全不可能制造出蟲(chóng)洞。這依賴(lài)于未來(lái)人類(lèi)的技術(shù)能力了，畢竟我們不排除未來(lái)會(huì )出現《星際穿越》中的墨菲那樣優(yōu)秀的科學(xué)家，可以克服這個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。
其實(shí)，蟲(chóng)洞這方面的研究可以追溯到1985年，美國康乃爾大學(xué)的著(zhù)名行星天文學(xué)家卡爾·薩根寫(xiě)了一部科幻小說(shuō)，里面講到時(shí)間旅行，此小說(shuō)叫做《接觸》。薩根去請教研究廣義相對論的專(zhuān)家——加州理工學(xué)院的索恩教授，問(wèn)時(shí)間旅行到底是可能還是不可能。當時(shí)，薩根版本的時(shí)間旅行是通過(guò)黑洞內部去進(jìn)行的，但索恩看了以后，覺(jué)得黑洞內部引力太強，會(huì )把人撕碎，因此建議改成蟲(chóng)洞。蟲(chóng)洞比較溫和，之后在1988年，索恩帶著(zhù)兩個(gè)博士生真的在愛(ài)因斯坦方程中找到了蟲(chóng)洞解，文章發(fā)表在《物理評論快報》上，這是比較嚴肅的科學(xué)論文。
索恩是美國相對論之父——惠勒的學(xué)生，通過(guò)計算，他很快告訴薩根，蟲(chóng)洞可以用來(lái)作時(shí)空旅行的工具。索恩的師弟米斯納與惠勒是蟲(chóng)洞概念的始作俑者，在他們的模型里，蟲(chóng)洞在極短的時(shí)間內產(chǎn)生，然后消失，因為其壽命極短，無(wú)法成為星際旅行的通道。在薩根的小說(shuō)發(fā)表之后，索恩對蟲(chóng)洞產(chǎn)生了濃厚的興趣，他和他的學(xué)生莫里斯開(kāi)始對蟲(chóng)洞做深入的研究。與米斯納和惠勒不同的是，索恩研究了可以作為星際旅行通道的那種很大的長(cháng)壽命的蟲(chóng)洞，這種蟲(chóng)洞被稱(chēng)為可穿越蟲(chóng)洞。關(guān)于這部分，可以參考清華大學(xué)出版社出版的書(shū)《廣義相對論講義——從奇點(diǎn)到蟲(chóng)洞》，以及另外一本名為《日出：量子力學(xué)與相對論》的書(shū)。
另外一種穿越時(shí)空到未來(lái)的辦法是通過(guò)所謂的雙胞胎悖論效應，一個(gè)人只要坐極高速的火箭離開(kāi)地球，然后再回來(lái)，他會(huì )比在地球上的人要年輕，這在某種意義上相當于他能活得更長(cháng)久，也就是穿越時(shí)空了。這個(gè)情況是非常普遍的，在微觀(guān)粒子實(shí)驗中，物理學(xué)家早已經(jīng)驗證了這個(gè)現象，對于這一點(diǎn)，最簡(jiǎn)單的證明辦法是利用相似三角形來(lái)證明狹義相對論的時(shí)間膨脹公式——對此感興趣的讀者可以參閱文末的內容鏈接。
回到過(guò)去就能改變歷史嗎？
從目前來(lái)看，假設我們身邊存在這種從未來(lái)穿越過(guò)來(lái)的未來(lái)人，那么很明顯，其智商水平與知識水平應該遠在我們這些普通人之上。但這是不可觀(guān)測的，原因可能在于，穿越過(guò)來(lái)的人似乎自己也已經(jīng)忘記了自己是穿越者了。這是一個(gè)很可怕的結論，也就是說(shuō)，我們的環(huán)境對穿越者是一個(gè)染缸，能將之平庸化。
如果發(fā)生時(shí)空穿越，我們就有可能看到霍金與愛(ài)因斯坦在一起
當然，從目前的報道來(lái)說(shuō)，我們這個(gè)時(shí)空中的大部分人都有明確的出生記錄，他們是來(lái)自母親的陰道分娩或者剖腹產(chǎn)，而那些沒(méi)有出生記錄的人，是不是來(lái)自蟲(chóng)洞，從直觀(guān)上來(lái)說(shuō)也是匪夷所思的。但是，假設真有一個(gè)穿越者來(lái)自于未來(lái)，并具有超能力，那么他可以改變歷史嗎？因為歷史本身就是這個(gè)穿越者與普通大眾一起創(chuàng )造的，所以我們無(wú)法考察他是不是真的改變了歷史?！缎请H穿越》中的庫伯穿越了蟲(chóng)洞，但他無(wú)法改變歷史，未來(lái)是由他的女兒來(lái)創(chuàng )造的。也就是說(shuō)“歷史不可以被改變，未來(lái)可以被創(chuàng )造”！
時(shí)空穿越劇《星際穿越》海報
其實(shí)，這個(gè)思想早在2000年就已經(jīng)被黃易清晰的提出來(lái)了，《尋秦記》里的項少龍能回到過(guò)去，但他無(wú)法改變歷史，只是創(chuàng )造了歷史。也就是說(shuō)，歷史已經(jīng)發(fā)生，他只不過(guò)參與了這個(gè)過(guò)程，并且最后與歷史書(shū)上的記錄保持一致。
那么，為什么穿越者無(wú)法改變歷史？這是為了防止引起時(shí)空悖論，其中的“弒母悖論”是最重要的一個(gè)悖論，如果一個(gè)穿越者能回到過(guò)去，殺死自己少女時(shí)代的母親，當時(shí)他母親還沒(méi)有懷孕，那請問(wèn)他是怎么出生的？他不是孫悟空，一定來(lái)自子宮，不可能是從石頭里迸出來(lái)的，因為這會(huì )引起矛盾。所以“穿越者不能改變歷史”是有科學(xué)道理的，這背后就是著(zhù)名相對論專(zhuān)家霍金提出的“時(shí)序保護猜想”。該猜想從量子力學(xué)的角度出發(fā)，通過(guò)一系列論證，最后明確禁止時(shí)空穿越者去改變已經(jīng)發(fā)生過(guò)的歷史事件，從而避免出現宇宙分叉。
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