「如果有人提出研究資助申請以從事時間旅行工作,它將立即被駁回,」寫道物理學家史蒂芬‧霍金在他死後的書中大問題的簡短回答。
他是對的。但他也說對了,時間旅行是否可能是一個“非常嚴肅的問題”,仍然可以科學地解決。
霍金認為我們目前的理解不能排除這種可能性,他似乎持謹慎樂觀的態度。那麼這會為我們帶來什麼影響呢?今天我們無法建造時間機器,但未來我們可以嗎?
讓我們從我們的日常經驗開始。我們理所當然地認為能夠給我們的朋友和家人打電話,無論他們身在何處,了解他們在做什麼現在。
但這是我們永遠無法真正知道的事情。攜帶聲音和影像的訊號以難以理解的速度傳播,但這些訊號仍然需要有限的時間才能到達我們。
我們無法了解遠方某人的“現在”,這是阿爾伯特愛因斯坦的核心空間與時間理論。
光速
愛因斯坦告訴我們,空間和時間是一件事(時空)的一部分,我們應該像思考空間距離一樣願意思考時間距離。
儘管這聽起來很奇怪,但當有人問伯明翰距離倫敦有多遠時,我們很高興地回答「大約兩個半小時」。我們的意思是,在平均時速為 50 英里的情況下,這段旅程需要這麼長時間。
從數學上講,我們的陳述相當於說伯明翰距離倫敦約 125 英里。作為物理學家布萊恩考克斯和傑夫·福肖寫在他們的書上為什麼E=mc²?,時間和距離「可以使用具有速度貨幣的東西互換」。
愛因斯坦的智力飛躍在於假設時空中從時間到距離的匯率是普遍存在的──而且就是光速。
光速是任何訊號傳播速度最快的,這從根本上限制了我們了解宇宙其他地方正在發生的事情的速度。這給了我們「因果關係」——影響必然到來的規律後他們的原因。
對於時間旅行的主角來說,這是一個嚴重的理論眼中釘。對我來說,回到過去並啟動阻止我出生的事件是將結果(我)置於原因(我的出生)之前。
現在,如果光速是普遍存在的,我們必須測量它是相同的——真空中每秒 299,792,458 公尺——無論我們自己移動得有多快。
愛因斯坦意識到,光速絕對化的結果是空間和時間本身不可能是絕對的。事實證明,移動的時鐘肯定比靜止的時鐘慢。
你移動得越快,你的時鐘相對於你經過的時鐘滴答聲就越慢。 「相對」這個詞很關鍵:對你來說,時間似乎過得很正常。然而,對於每個站著不動的人來說,你將處於慢動作。
如果你以光速移動,你會顯得時間被凍結——就你而言,其他人都會快轉。
如果我們去旅行又怎樣快點時間會不會像科幻小說告訴我們的那樣倒退?
不幸的是,將人類加速到光速需要無限的能量,更不用說超越光速了。但即使我們可以,時間不會簡單地倒退。相反,談論前進和後退根本就沒有意義了。
因果律就會被違反,因果的概念就會失去意義。
蟲洞
愛因斯坦也告訴我們,萬有引力是運動方式的結果。質量扭曲空間與時間。我們擠入空間區域的品質越大,時空扭曲得越嚴重,附近的時鐘走得越慢。
如果我們擠入足夠多的質量,時空就會變得如此扭曲,甚至連光也無法逃脫它的引力,並且已形成。
如果你接近黑洞的邊緣——它的事件視界——你的時鐘相對於遠離它的時鐘會無限緩慢地滴答作響。
那麼,我們能否以正確的方式扭曲時空,使其閉合併回到過去呢?
答案是也許,我們需要的扭曲是可穿越蟲洞。但我們還需要產生負能量密度的區域來穩定它,而 19 世紀的經典物理學阻止了這一點。現代理論量子力學然而,可能不會。
根據量子力學,真空並不空。相反,它充滿了突然出現和消失的粒子對。如果我們可以建立一個區域,允許比其他地方更少的電子對進出,那麼這個區域將具有負能量密度。
然而,找到一種將量子力學與愛因斯坦重力理論結合的一致理論仍然是理論物理學中最大的挑戰之一。一名候選人,(更準確地說M理論)可能會提供另一種可能性。
要求時空有 11 個維度:我們所處的時間維度和空間維度,以及另外七個維度,捲曲得小得看不見。我們能否利用這些額外的空間維度來縮短空間和時間?至少霍金充滿希望。
保存歷史記錄
那麼時光旅行真的有可能嗎?我們目前的理解不能排除這種可能性,但答案可能是否定的。
愛因斯坦的理論無法描述極小尺度的時空結構。雖然自然法則常常與我們的日常經驗完全不一致,但它們是總是自洽——當我們混淆科幻小說中時間旅行的因果關係時,幾乎沒有留下任何悖論的空間。
儘管霍金保持著頑皮的樂觀態度,但他認識到,未被發現的物理定律有一天會取代愛因斯坦的物理定律,可能會共同阻止像你我這樣的大型物體在時間中隨意(非因果)地來回跳躍。我們稱這個遺產為他的“時間順序保護猜想」。
無論未來是否有時間機器,我們都可以用這樣的知識來安慰自己:當我們爬山或開車加速時,我們改變了時間的流逝方式。
那麼,這個「假裝是時間旅行者的一天「(12 月 8 日),記住你已經是這樣了,只是不是你希望的方式。