大自然并不反对人们前往未来,为何不允许我们回到过去?

宇宙时空探索 2024-10-20 17:42:58

穿越未来或许可行,但逆行至往昔则充满挑战。《回到未来》这一80年代经典电影系列,带来了一种迷人的可能性:我们能够逆流而上修正历史的过失,并畅游未来,据此调整自我,这是每个追求完美的灵魂所向往的梦想。

但物理学界对此有话要说。首先,时间旅行的概念并非科幻小说的虚构产物,科学的真相是,无论你做出何种努力,总有些事情是你无法干预的!无论你选择静止还是加速至接近光速,在你自己的时间坐标系内,你总是以同样的速率穿越着时间。这看似平平无奇的论断,在爱因斯坦1905年提出狭义相对论时,却是其震撼人心的含义之一。

另一方面,了解到光子——或者说零质量的粒子——在它们的时间坐标系内,根本无法感受到时间的流逝:从光子的发射到被吸收的刹那,只有像我们这样有质量的观察者才能目睹时间的推移。从光子的视角看去,整个宇宙在它的移动方向上浓缩成一个点,发射与吸收瞬间完成。

而我们是有质量的实体。任何有质量的物体,都受限于低于光速的移动速度。不仅如此,无论你是静止还是在加速,你始终会感受到光以恒定的速度在运动:即真空中的光速。

这导致了一个迷人的结论:当你观察一个相对于你移动的时钟,会发现它在变慢。

想象一下“光钟”,亦即一个依赖光在两面镜子间往返运动的计时装置。移动中的观察者相对于你越是快速移动,光的横向移动比竖向更为显著,因此那个时钟对你来说就显得更慢了。

同样的,相对于他们,你的时钟也会显得慢些;他们会看到你的时间流逝得更为缓慢!然而,这不可能对双方都成立:当再度重逢时,必定有一方更显老迈,而另一方更加年轻。

这就是爱因斯坦著名的“双生子佯谬”的实质。简短的回答是:如果你们起始于相同的坐标系(譬如地球),一人离去进行快速的星际旅行,那么他的时间会显得慢些,而留守者会保持正常的时间流速。

因此,若你渴望在时间中迅速跃进,只需加速至近光速,并以此速度行进一段时间,再回到原点。如此,根据你所搭载设备的理论质量,你便能在未来旅行数天、数月、数十年、数百亿年,甚至更长!

你能见证人类的兴起与衰落、地球与太阳的终章、我们的星系解体、乃至宇宙自身的热寂。只要你的飞船上有足够的能源,你便能随心所欲地漫游至遥远的未来。

但“回到过去”则是另一回事。仅凭狭义相对论——亦即空间与时间的基本联系——就足以使我们步入未来。但若我们想要回溯至过去,就必须转向广义相对论,亦即讨论时空与物质和能量的关系。在此,我们视时空为一个不可分割的结构,而物质与能量则是令其弯曲的原因,或者说,造成了结构本身的变化。

就我们所知的宇宙而言,时空显得相当乏味:它几乎全无弯曲,平坦且缺乏自我循环的形态或可辨识的形式。

但在某些宇宙模型中——在爱因斯坦广义相对论的一些解答中——你有可能回到过去。如果空间是自我循环的,你朝某个方向旅行足够长的时间,最终可能会回到原点:这便是封闭宇宙的可能结果。

你不仅可以用封闭的类空曲线求解,同样可以用封闭的类时曲线求解时空,这意味着你甚至能回到未来!

但这仅是一个数学上的解。然而,这个数学描述能否代表我们的物理宇宙?现实情况似乎并非如此。我们的宇宙所需的曲率和/或不连续性,与我们所观察到的相去甚远,即使是在中子星和黑洞这样的极端环境附近。

即便我们的宇宙可能正在旋转,但根据观测,旋转的极限是我们渴望的闭合类时曲线所需的百万倍,这一限制过于严格。如果你希望在时间上前进,像德洛伦飞船那样加速——如果“加速”意味着相对论性的加速——可以带你到达目的地,同样,一列加速的火车也能做到这一点,这正是爱因斯坦最初的构想!

但逆行而上呢?或许你不能返回过去,去阻止你的父亲与你母亲的结合,制造一个时间上的悖论。

不管《飞出个未来》如何,时光倒流的想法很可能将继续让人类着迷。但几乎可以肯定,时光倒流只能停留在虚构之中。在数学上这并非不可能,但宇宙建立在物理学的基础上,而物理学只接受数学解的一个特殊子集。在这种情况下,我们想要通过回到过去来纠正错误的梦想,或许只能存在于我们的想象之中。

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宇宙时空探索

简介:用通俗的语言诠释科学