关于过去和未来旅行的故事早就吸引了我们的想象力,但是时间旅行的可行性是一个棘手的问题,它使人们深刻理解物理学家关于 “时间”的含义。
现代物理学告诉我们,时间虽然看上去很好理解,但却是我们宇宙中最神秘的方面之一。 爱因斯坦彻底改变了我们对时间的理解,即使经过修正,一些科学家仍在思考时间是否真正存在或者时间仅仅是“顽固的持久幻想”(正如爱因斯坦所说的那样)的问题。无论时间是什么,物理学家(和小说家)都发现了一些有趣的方法来操纵它,考虑以特殊的方式越过它。
时间和相对论
尽管在H.G.威尔斯的《时光机》(1895)中有所提及,但直到爱因斯坦的广义相对论(1915年发布)发布,真正有关时间旅行的科学研究才出现。 相对论以4维时空来描述宇宙的物理结构,包括三个空间维度(上/下,左/右和前/后)以及一个时间维度。 根据上个世纪的大量实验证明的相对论,引力是响应物质的存在而使时空弯曲的结果。 换句话说,在给定某种物质结构的情况下,宇宙的实际时空结构可以发生对应的改变。
相对论的一个惊人的结果是,运动会导致时间以不同的方式流逝,该过程被称为时间膨胀,在经典的孪生悖论中表现得最为显著。在这种“时间旅行”的方法中,你可以更快地进入未来,但实际上没有任何退路。(有一个小小的例外,但在本文后面会有更多的内容。)
早期的时间旅行
1937年,苏格兰物理学家W.J.vanStockum首次应用广义相对论,为时间旅行打开了大门。把广义相对论方程应用到一个无限长、密度极高的旋转圆柱体(像一个无穷无尽的理发店旋转灯箱)。这样一个巨大物体的旋转实际上产生了一种被称为“帧拖动”的现象,也就是说它实际上在拖拽着时空。van Stockum发现,在这种情况下,你可以在四维时空中创建一条路径,并且开始和结束于同一点,这就是所谓的封闭类时曲线,这是允许时间旅行的物理结果。你可以乘坐太空船出发,沿着一条能让你回到刚出发的那一刻的路径前进。
虽然结果很有趣,但这是一个相当不自然的情况,所以没有太多关注。然而,一种新解释即将出现,并且争议更大。
1949年,数学家科特·戈德尔——爱因斯坦的朋友,普林斯顿大学高级研究所的同事——决定解决整个宇宙旋转的问题。在哥德尔的解中,时间旅行实际上被方程所允许…如果宇宙在旋转。旋转的宇宙本身可以起到时间机器的作用。
如果宇宙是旋转的,就有办法探测到它(例如,如果整个宇宙是旋转的,光束会弯曲),到目前为止,证据是一边倒,没有任何形式的宇宙旋转。所以,时间旅行再一次被否定。但事实是宇宙中的一切确实在旋转,人们又看到了可能性。
时间旅行和黑洞
1963年,新西兰数学家Roy Kerr利用场方程分析了一个旋转黑洞,称为Kerr黑洞,发现方程结果允许一条路径穿过黑洞中的虫洞,避开了中心的奇点,并从另一端出去。正如理论物理学家kip thorne多年后认识到的那样,封闭类时曲线也存在这种情况。
20世纪80年代初,卡尔·萨根在写1985年的小说《接触》时,向基普·索恩提出了一个关于时间旅行物理学的问题,这启发了索恩研究利用黑洞作为时间旅行手段的概念。索恩和物理学家sung won kim一起意识到(理论上)存在一个黑洞,有一个虫洞将它连接到空间中被某种形式的负能量打开的另一点。
但有虫洞并不意味着有时间机器。假设你可以移动虫洞的一端(“可移动端”)。你把可移动端放在宇宙飞船上,以接近光速将其射入太空。时间膨胀(我答应过它会回来)开始了,活动端所经历的时间比固定端所经历的时间要短得多。假设你把可移动端移到地球的未来5000年,但可移动的一端实际只过了5年。所以你在2010年离开,比如说,到了7010年。如果穿过活动端,实际上会在2015年从固定端跳出来(因为5年过去了)。这是怎么实现的?
事实是虫洞的两端是相连的,无论相距多远。在时空中,两端基本上还是“近在咫尺”。由于可移动端只比离开时多五年,穿过它会把你送回固定虫洞的另一端。如果有人从公元2015年的地球通过固定的虫洞,他们会在公元7010年从可移动端出来。如果有人在2012年踏进虫洞,他们最终会在旅行途中的某个地方登上太空船。
虽然这是对时间机器最合理的描述,但仍然存在一些问题。没有人知道虫洞或负能量是否存在,也没有人知道如果它们确实存在,如何用这种方式将它们组合在一起。但这(理论上)是可能的。
参考资料
1.维基百科全书
2.天文学名词
3. thoughtco-f2003911
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