我们能否穿越时空?

狭义相对论是爱因斯坦于1905年提出的,他认为,时间、空间、质量并非固定不变,物体在高速运动时会出现奇怪的现象,包括时间变慢、长度收缩、质量变大等等。

去往未来

穿越时空无非有两个方向:去往未来,或者回到过去。在科学理论上,它们所需的方法也是不同的。比起后者,去往未来相对要容易一些,我们的时空旅行先从这里开始。

1 接近光速,穿越时空

作为本次太空任务的队长,你驾驶飞船朝宇宙进发。这艘飞船的速度是有史以来最快的,达到光速的98%,足以让你在太阳系中尽情漫游。4年后,你返回地球,满心期待着亲朋好友的欢迎。可当你走出舱门,人们的面庞却令你大吃一惊。大家怎么都变老了!有人脸上起了好多道皱纹,有人甚至头发都变白了。一番询问后,你才知道,地球上已经过去20年了。自己明明只长大了4岁,居然去到了16年后的未来。

这个故事看起来荒诞不经,却有着可靠的理论依据——狭义相对论 。

时间变慢的人

与光速相比,汽车、火箭的速度都很低,对时间的影响微乎其微。宇航员斯科特·凯利(右)驻扎在国际空间站,与空间站一起以大约7.66千米/秒的速度绕地球飞行。一年后他返回地球,只比留在地球上的双胞胎兄弟年轻0.01秒。

时间会膨胀

在我们的生活中,无论是上学放学,还是火箭发射,都会按时进行。时间似乎永远恪尽职守,无论是一秒钟、一分钟还是一小时,只要时钟正常运作,它就会以固定的频率滴答作响。

然而,如果把时钟放在一艘超高速行驶的飞船上,我们站在飞船之外观察,就会发现,时间开始变慢了。时钟指针正以极慢的速度转动,不仅如此,飞船里的宇航员也在做着慢动作。不是你眼花了,而是超高速引发了一种被称为“时间膨胀”的相对论效应,当速度越来越快,时间就会变得越来越慢。

不过,时间膨胀只有在接近光速时才比较明显,且只有外界的人才能发现时间膨胀,在那艘超高速行驶的飞船内部,对宇航员自己而言,一切毫无异常。

去往未来的粒子

μ子在地球大气中的前进路线。

事实上,去往未来的事件无时无刻都在我们周围发生,但主人公不是人类,而是渺小的粒子。

自然界中有许多种粒子存在,有的粒子十分稳定,像电子、光子;有的却非常短命,很快就会衰变成其他的粒子。宇宙射线碰撞到地球的大气分子后会产生“μ子”,它的寿命只有0.0000022秒,在这么短的时间里,它应当连一千米都飞不出去。然而,科学家却在离大气层十几乃至几百千米远的地面上发现了μ子的存在。

这是因为μ子以99.9%的光速飛行,它的时间大大减慢,也就相当于旅行到了未来的世界。所以,如果我们能发明超高速行驶的交通工具,去往未来将成为可能。

2 黑洞是天然的“时间机器”

在电影《星际穿越》中,宇航员库珀驾驶飞船从一颗黑洞旁边经过。他的时间因此严重膨胀,每过1小时,地球就过了7年;等到他终于回家,当年还是个小孩的女儿已经白发苍苍。

即使无法达到近光速,我们也能利用黑洞进行时间旅行。

在发表狭义相对论的10年后,爱因斯坦又提出了“广义相对论”。其指出,在引力巨大的天体周围,时间与空间都会扭曲。比如太阳的质量是地球的33万倍,在它表面,1年的时间比地球慢大约1分钟。质量远超太阳的黑洞更是会让时间大幅变慢。

银河系中有许许多多的黑洞,如果我们乘坐宇宙飞船,飞到某个黑洞的附近待一会儿,返回时也将见到未来的地球。越靠近黑洞,时间流动越慢,但我们必须与黑洞的边界(事件视界)保持一定距离。一旦跨过这个边界,我们将会被吞噬。

回到过去

对我们而言,时间是具有方向性的,它会自动朝未来行进,而不会发生倒流;通过时间旅行回到过去,也比去往未来要困难得多。不过,有一种“时空隧道”能帮助我们回到过去,它就是虫洞。

把宇宙“折”起来

一只小虫站在一张纸的一端,它该怎么爬,才能快速抵达纸的另一端?

显然,两点之间直线最短,小虫只要笔直前进就行了。但如果把纸张折起来,用笔把纸戳穿呢?这样一来,小虫穿过这两个洞就能抵达目的地。

宇宙也像一张纸,我们在纸面上生活。在某些地方,宇宙或许就像被折起来了一样,存在两个连通的洞口,即虫洞。只要从中穿过,我们一眨眼就能跨越广阔的宇宙空间。

虫洞,欺骗时间的“魔术”

从外界看,虫洞的两个洞口可能相隔甚远,但虫洞内部完全没有空间或时间上的差别。如果把一块表丢进一个洞口,它马上就能从另一个洞口出来,显示的时间也和之前一模一样。

时光机  动画片《哆啦A梦》

在小学生野比大雄的书桌抽屉里,藏着一台时光机,它可能就是一种操纵虫洞的装置。这台时光机看上去就像安上了座位的“魔法飞毯”,大雄可以和机器猫哆啦A梦一起跳入抽屉,进入时光隧道,驾驶时光机穿越到不同的年代尽情玩耍。

跳时表  电影《黑衣人3》

虫洞,有两个洞口

这几乎是众多科幻作品里最小巧的时间机器,只有手机的大小,可以随身携带。但它使用起来却最有风险——使用者需要从摩天大楼上一跃而下,将重力势能转换为启动的能量。如果启动失败,他将摔得粉身碎骨!

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隨着坠落,使用者会同时在空间维度和时间维度上移动。他眼前的光景将飞速变换,像走马灯一般掠过恐龙时代、古人类时代、近代等等,最终在选定的时间点停下。

在我们的认知中,世界是三维的,但其实它还包含“第四维”——时间维度。利用双脚和交通工具,我们轻易就能在长、宽、高三个维度上进行移动,对时间维度却无能为力,无法返老还童、死而复生、让摔碎的东西自动复原……在遥远的未来,人类或许能掌握在第四维度移动的技术,从而轻松地穿梭于未来、现在和过去之间。

在许多复杂的宇宙、物理理论中,世界甚至不只有四维,而是多达十一维。就像电子屏幕里的游戏小人无法跳出屏幕一样,我们只能辨认出三个维度,无法意识到更高维度的存在。

时间旅行会制造混乱

人是否会凭空消失?

一辆失控的汽车很快就要撞上前方的便利店,忽然,炫目的亮光闪过,车居然从大马路上消失了!画面一转,它又凭空出现在一片草地上。年轻的司机从车里狼狈地逃出,却发现周围的高楼大厦不见了……他瞟了一眼报纸,大惊失色:报纸上的日期是30年前的今天!

这就是电影《回到未来》中的情景。主人公马蒂启动了老师制造的“时空飞车”,回到了过去。然而,意想不到的事情发生了:马蒂不小心阻止了自己父母的相遇。结果,他的身体居然慢慢变得透明,马上就要消失了!原来,如果30年前他的父母没有结婚并生下他,马蒂就不会存在。

穿梭于未来和过去之间

可如果马蒂不存在的话,又怎么会阻止父母相遇?如果父母正常结婚并生下他,又会回到故事的开头……那么,问题来了:马蒂到底会不会消失?要知道,先有原因才会有结果,这被称为 “因果律”;时间旅行却会打破因果律,带来各种各样的混乱,因此许多科学家都认为回到过去的时间旅行是不可能实现的。

世界在分裂

这些矛盾似乎将回到过去的时间旅行彻底否决了,但我们仍有一线希望。或许我们的世界并非独一无二,而是拥有无数个“副本”的存在,它们就是平行世界。

今天出门带不带伞?你带了伞,正常地来到教室上课;

宇宙可能是个由10个空间维度与1个时间维度组成的11维世界。

你没带,则被淋成“落汤鸡”。写没写作业?写了第二天平安无事,没写的话,会被老师批评留堂……我们的一举一动、不同的选择都会导致不同的结果。

全球有70多亿人,再加上自然环境、宇宙空间中数不尽的不确定事件,无数的选择和偶然也会带来无数不同的结果,让世界“分裂”成无数个平行世界,它们既相似又有区别。在不同的平行世界里,你可能是学渣,也可能是学霸;你长大后可能成为普通老百姓,也可能成为有名的科学家。如果平行世界存在,回到过去的马蒂就等于进入了一个平行世界,他的行为使这个平行世界的马蒂消失了,但不属于这里的他将平安无事。

历史会被改变吗?

时空飞车马蒂的身体正在消失。

在平行世界理论里,时间旅行压根就不会带来违背因果的矛盾,但是,这又使我们无法改变自己世界的历史,只能创造出一个新的平行世界。科幻作品中“回到过去以改变现在”的情节也无法成立了。

未來世界已被“天网”与机器人控制。曲速引擎想象图。物理学家设想的“曲速引擎”可以通过扭曲时空来实现超光速飞行,这或许也是时空旅行的一种方式。

在电影《终结者2》中,世界已被超级电脑“天网”和它麾(huī)下的机器人控制,人类艰难抵抗机器人的截杀。天网制造了时空门,将杀手机器人传送回二十多年前,想要杀死还是孩童的人类领袖;人类领袖也同样派出机器人保护年幼的自己。不过,如果存在平行世界,这些机器人再怎么厮杀,都不会对它们原本的世界造成改变。

从幻想到科学

尽管穿越时空如今还只是个幻想,但随着科学的进步,人们正在为这个幻想增添越来越多的理论依据,让它从天马行空的幻想变成科学家的严肃讨论。我们甚至已经知道了时间机器的简单原理,只是还没有制造它的办法。

怎么进行近光速飞行?怎么制造虫洞?怎么发现平行世界的存在?太多的问题还没有答案,而它们也与如今最前沿的宇宙、物理学研究息息相关。或许有一天,会有一个神秘人凭空出现,对我们开心地招手说道:“哈喽,我来自未来。穿越时空的实验,现在成功了。”

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年11月1日 上午8:07。
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