科學也可以如此靠近

時光倒流是真的,那你的身體可能嗎?

2月
23
2018

2018年2月23日04時 今日科學 博科園

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時光倒流的想法一直吸引著人類,比如回到未來改進的DMC - 12。經過幾十年的研究,或許我們可能找到了一個物理上可行的解決方案。圖片版權:Ed g2s of Wikimedia Commons

這是電影、文學和電視節目中最偉大的幻想之一:我們可以回到過去改變過去的想法。從《哈利·波特》(Harry Potter)的《時代》(the time turner)到《土撥鼠日》(Groundhog

Day)的未來,時光倒流,讓我們有機會糾正自己過去的錯誤。對大多數人來說,這是一個被歸入小說領域的想法,因為每一個物理定律都表明,穿越時間的運動是絕對必要的。

從哲學上來說,還有一個著名的悖論,似乎表明了這種可能性的荒謬:如果穿越時間的旅行是可能的,就可以在你的父母被孕育之前回去殺死你的祖父,讓你的生活變得不可能。很長一段時間,似乎沒有辦法回去。但是由於愛因斯坦廣義相對論中一些非常有趣的空間和時間特性,回到時間裡的可能是可能的。

早期宇宙由量子泡沫組成,量子漲落很大,變化很大,在最小的尺度上也很重要。積極和消極的能量波動可以產生微小的量子蟲洞。圖片版權:NASA/CXC/M.Weiss

開始是一個蟲洞的物理概念,我們已知的宇宙中在最小的尺度上的時空結構有極少的,極小的量子漲落。這些因素包括正和負方向上的能量波動,通常彼此非常接近。一個非常強、密集、積極的能量波動會以一種特定的方式產生彎曲空間,而強、密集、負能量波動則會以完全相反的方式彎曲空間。如果把這兩個曲率區域連在一起——短暫的瞬間到達量子蟲洞的概念。如果蟲洞持續的時間足夠長,甚至可以把一個粒子穿過它,讓它瞬間從時空中的一個位置消失,然後重新出現在另一個地方。

洛倫茲蟲洞的精確數學圖。如果一個蟲洞的一端是由正質量/能量組成的,而另一端則是負質量/能量的構造,那麼蟲洞就可以被穿越。圖片版權:Wikimedia Commons user Kes47

然而如果我們想要擴大規模,讓像人類這樣大的東西通過,那將需要一些工作。雖然我們宇宙中的每一個已知粒子都有正能量和負能量或零質量,但在廣義相對論的框架下,有負質量/能量粒子是很有可能的。當然還沒有發現,但是根據理論物理的所有規則,沒有什麼禁止的。

如果這個負質量/能量物質存在,那麼就會產生一個超大質量的黑洞,與它的負質量/能量對應,然後連接應允許一個穿越蟲洞。不管把這兩個相互連接的物體相距多遠,如果它們有足夠的質量/能量——無論是正的還是負的——這個瞬時連接仍然存在。所有這些都是瞬間穿越太空的好方法。但是時間呢?這就是狹義相對論的原理。

不同的觀察者「光鍾」將會在不同的相對速度下運行,但這是由於光速的恆定。愛因斯坦的狹義相對論支配著這些時間和距離的轉換是如何發生的,但這意味著靜止和移動的雙方以不同的速率老化。圖片版權:John D. Norton, via

http://www.pitt.edu/~jdnorton/teaching/HPS_0410/chapters/Special_relativity_clocks_rods

如果你以接近光速的速度旅行,你會經歷一種叫做時間膨脹的現象。你的運動穿過空間,你的運動通過時間與光速有關:你的運動穿過空間越大,你的運動穿越時間越少。想像一下你有一個40光年遠的目的地,你能以驚人的速度行駛:超過99.9%的光速。如果你進入了一艘宇宙飛船,並以非常接近光速的速度向那顆恆星移動,然後停止,轉身回看地球,你會發現一些奇怪的東西。

由於時間的膨脹和長度的縮短,你可能只有一年的時間到達目的地,然後再過一年再回來。但回到地球上,82年過去了,你認識的每個人都會衰老得很老甚至已經離世…。這是物理工作的標準時間旅行:它帶你進入未來,隨著時間的推移,你只依賴於你在空間上的運動。

時間旅行是可能的嗎?如果有一個足夠大的蟲洞,比如一個超大質量黑洞連接到它的負質量/能量對應的黑洞,它可能就是這樣。圖片版權:Wikimedia Commons user Kjordand

但是如果你像我們剛才描述的那樣建造一個蟲洞,故事就會改變。在蟲洞的一端的成像仍然是靜止的,例如離地球很近,而另一個則在相對於光速的相對論之旅中消失。然後你進入了蟲洞的快速移動的末端,它已經運動了大概一年了,會發生什麼呢?

好吧,一年對每個人來說都不一樣,特別是如果他們在時間和空間上不同的移動!如果我們說的速度和之前一樣,蟲洞的「運動」將會有40年的時間,但是「靜止」的結束只會有1年的時間。進入蟲洞的相對末端,你在蟲洞被創造一年後回到地球,而你自己可能已經有40年的時間了。

以接近光速的速度移動,將會使旅行者與保持恆定參考系的人有明顯不同的時間。圖片版權:Twin Paradox, via http://www.twin-paradox.com

如果40年前,有人創造了這樣一對纏在一起的蟲洞,並讓他們踏上這段旅程,那麼在2017年,他們就有可能進入其中的一個,然後在另一個及時回到過去……早在1978年。唯一的問題是,你自己也不能在1978年回到那個地方;你需要和蟲洞的另一端在一起,或者穿越太空去嘗試追趕它。

翹曲飛行,就像NASA設想的那樣:如果你在空間的兩個點之間創造了一個蟲洞,一個入口相對於另一個入口移動相對,那麼在任何一個移動端,觀察者的年齡都是不同的。圖片版權:NASA / Digital art by Les Bossinas (Cortez III Service Corp.), 1998

令人滿意的是,我們發現這種形式的時間旅行也禁止祖父悖論!即使蟲洞是在你的父母懷孕之前被創造出來的,你也沒有辦法在這個蟲洞的另一端存在,早到可以回去找到你的祖父在那個關鍵時刻。你能做的最好的事情就是把你剛出生的爸爸和媽媽放在飛船里,去接蟲洞的另一端,讓他們活,長大,懷上你,然後再從蟲洞裡走出來。當他還很年輕的時候,你就能見到你的祖父——也許比你現在還年輕——但在你的父母出生後,他仍然會在你出生的時候出現。

如果負質量/能量是真實的、豐富的和可控的,那麼在宇宙中有許多不尋常的事情成為可能,但時間倒退可能是我們所想像過的最瘋狂的事情。由於特殊的和廣義相對論的怪異之處,時間旅行過去可能是不被禁止的!

知識:科學無國界,博科園-科學科普

作者:Ethan Siegel(天體物理學家)

來自:Forbes science

編譯:卿君側

審校:博科園


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