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到過去的時間中旅行
（2006年07月13日 15:15）
來源︰《太空探索》
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□作者: 李龍臣
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能到過去的時間中去旅行嗎？可能性有多大？如果因此有人謀殺了幼年的華盛頓，美國乃至世界近200年的歷史年表將被完全破壞，怎麼辦？讓我們慢慢說來。
令人迷惘的時間
時間是司空見慣的，也是最難捉摸的。不僅普通人對時間感到迷惘，也令科學家迷惘。
在現代自然科學誕生以前，除哲學家以外，自然科學家一般都回避對時間的研究。人們對時間的感受是從主觀心理上得來的，那就是時間不斷向前流逝，一去而不復返；它有無限的過去，也有無限的未來；時間是普遍的、絕對的；時間是宇宙中萬事萬物發生、發展的舞台背景，獨立于萬事萬物之外；宇宙中各處的時間都是同步的；時間和空間是相互分離的。
現代自然科學有意無意地接觸到時間。牛頓在研究物體的運動速度和速度變化時，接觸到了時間，並首先給出了時間和空間的數學模型。在牛頓的數學模型中，時間仍然是事件發生的背景，不受事件影響，而且獨立于空間，時間向兩端無限延伸，是無限的；愛因斯坦狹義相對論客觀上打破了絕對時間的觀念，因為每個人都有自己的時間度量尺度，運動速度不同，所度量的時間不同，時間是彈性的，可以伸長和壓縮；廣義相對論把時間維和空間的三維合並成四維時空，時空是彎曲的並難分難解地糾纏在一起，時空不再只是事件發生的背景，而是動力，是參與者；在量子力學中，時間可以創生。但無論是在牛頓力學、愛因斯坦相對論中，還是在海森堡和薛定諤的量子力學中，時間方向無關緊要，在他們的方程中，時間向前向後都成立。1927年，英國天體物理學家愛丁頓首先提出“時間箭頭”的觀念，時間是有方向的。
你到時間中旅行過嗎
人人都在時間中旅行，時間有長有短，時序有先有後，其旅程，有的波瀾壯闊，有的平淡無奇。從1564年旅行到1642年的伽利略，旅程充滿著革新和磨難；從1642 年旅行到1727年的牛頓，旅程中豎立起里程碑式的成就；從1879年旅行到1955年的愛因斯坦，旅程中充滿著輝煌和自我矛盾；從1942年開始時間旅行的史蒂芬•霍金，則充滿著智慧、艱辛和毅力。
但是，人們向往的時間旅行，絕不是這種屬于自己人生經歷中的時間旅行，就像在長城、故宮工作的人，在張家界、九寨溝生長的人不認為那是在旅行一樣。時間旅行是指超越時空，到未來的時空中去旅行；使時間倒流，到過去的時空中旅行。
早在1733年，一個叫塞繆爾•馬敦的人，就在名為《20世紀備忘錄》的科幻小說中提出了時間旅行的概念。
這里，暫時不討論到未來的時間中去旅行，而集中討論到過去的時間中旅行的問題。
回到過去，看一看祖輩們生活的山河世界，會見夢想中的祖先，這多麼令人向往！回到過去，萬一有一個雜種作了攪亂歷史的蠢事，比如說幫助德、日法西斯殺害別人的祖父和父親，並使法西斯贏得第二次世界大戰的勝利，那現時人類的狀況將是多麼悲慘！凡此種種，都需要我們對時間旅行給予關注，它是科幻還是科學？在現時的科學水平上，時間旅行的可能性到底有多大？
廣義相對論的彎曲時空
有一種說法認為，超光速可以使時間倒流，如果乘坐超光速飛船飛行，就可以回到過去。但是，相對論指出，任何物體的運動速度不可能達到和超過光速，因為能量和質量等價，高速運動物體的動能使它的質量增加，當無限接近光速時，物體的質量趨向無限大，要使無限大的質量加速是不可能的。因此，相對論禁止超光速。時間旅行必須在低于光速的速度下進行。
要在低于光速的速度下達到去過去時空旅行的目的，目前唯一可借助的是彎曲時空理論。因此，廣義相對論是時間旅行的基礎。
牛頓指出，物質具有引力。愛因斯坦則進一步指出，引力只不過是時空彎曲的表現。
宇宙中充滿物質，而物質使時空彎曲，彎曲時空使一些物質集中在一起，形成恆星等天體。這就像在一塊被繃緊的有彈性的布上，一塊較大的物質壓出一個較大的坑，結果使它周圍的小物質不斷落入它的坑中一樣。
如果找到或制造一個彎曲得足夠厲害的時空，就可以到過去的時間中旅行。因為在那里你的飛船在出發之前，就可能已處在過去的時空中，你當然可以乘飛船在過去的時空中旅行了。
黑洞和蟲洞
使時空產生最大彎曲的是黑洞。我們知道，黑洞吞食包括光線在內的一切物質，那正是由于黑洞使時空向內彎曲得特別厲害，因而連光線都向內運動的結果。光線和其它物質不斷向內集中，形成物質密度和時空曲率都無限大的奇點，也就是時間和空間在黑洞奇點處終結。
一艘向黑洞靠近的飛船，其上的航天員以相同的時間間隔向我們發出聯絡信號，但我們收到聯絡信號的時間間隔卻越來越長，在飛船非常接近黑洞時，時間幾乎凝滯，當我們再也收不到聯絡信號時，那就是飛船進入黑洞，聯絡信號也被黑洞吞食了。當飛船到達奇點時，可憐的航天員的時間結束了。
但是，理論研究證明，旋轉黑洞中心不是一個空間為零的奇點，而是一個奇異環。奇異環連著蟲洞，它是蟲洞的出入口。
蟲洞是物理學家約翰•惠勒首先提出來的，它是廣義相對論方程的一個解。現代著名物理學家羅杰•彭羅斯的研究表明，旋轉黑洞把無數個蟲洞連接在時空的不同部分上。這樣，蟲洞就是連接不同時空區域的時空管道。如果找到一條連接過去時空的蟲洞，那麼，就可以通過它到過去的時空中去旅行了。
時間圈環和宇宙弦
那麼，蟲洞在哪里？特別是，連接過去時空的蟲洞存在嗎？連接過去時空的蟲洞，必然是一條封閉的類時曲線，即一次又一次地返回出發點的時間圈環。
狹義相對論不允許時間旅行。包含引力、有彎曲時空的廣義相對論也行不通。但到1949年，著名哲學家庫爾特•哥德爾找到廣義相對論方程的一個數學解，發現一個充滿旋轉物質的轉動宇宙模型，在那里，每一點都有時間圈環存在。
但是，哥德爾解需要一個宇宙常數。在當時，宇宙常數是否存在還不清楚。同時，哥德爾用可能發生“新生兒自謀殺”這種荒謬的事作為反證，證明回到過去是不可能的。其他人也認為轉動宇宙模型與我們生活的宇宙沒有任何相似之處，因而只把哥德爾解作為廣義相對論方程的一個沒有物理意義的解。多數人都同意牛津大學天文學家C• 雷西的意見，“時間旅行在任何合理的宇宙模型中都是不容許的”，當然，必須在我們的宇宙中被排除。
可是，接著又找到其它不需要宇宙常數的解，其中一個是兩條宇宙弦相互快速穿越時空，就會形成時間圈環。
粒子理論暗示，宇宙弦是在宇宙早期階段產生的，它是具有微小截面的重物體，後來隨宇宙膨脹而伸展，現時的一根單獨宇宙弦，可以橫貫整個宇宙。
時間機器
斯蒂芬•霍金對此提出懷疑︰“這種產生時間圈環的卷曲，一直延伸到空間的無窮處，並且回到時間的無限過去。這樣，這些時空是和在其中的時間旅行一同被創生的。我們沒有理由相信我們的宇宙是以這種卷曲的方式創生的，況且我們也沒有來自將來的訪客的可靠證據。”
在霍金看來，利用天然的時間圈環進行時間旅行的可能性不大。由此，霍金轉而提出︰“某個先進的文明能建造時間機器，進行時間旅行嗎？”
1895年，英國人赫伯•喬治•威爾斯發表了名為《時間機器》的科幻小說。不過，那時相對論、黑洞和蟲洞等科學理論還沒有誕生，他的時間機器沒有物理學基礎。
80年代初，著名天文學家和科普作家卡爾•薩根，在寫科幻小說《接觸》時遇到一個難題，就是如何能迅速地與外星人接觸，他去向老朋友、加州理工學院的基帕•索恩教授求教。索恩教授在1988年設想了一種時間機器，他是利用速度效應（速度增加，時間膨脹）和蟲洞理論，讓蟲洞一端的出入口以近光速運動，然後減速，回到原來的地方。這樣，它與蟲洞另一端的出入口就產生了時間延遲，飛船如果以近光速的速度在兩個出入口之間飛行，就可以回到過去的時間中去旅行。其實，索恩教授本人並不認同時間旅行。
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文章作者:李龍臣
責任編輯:skylook
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