• 留此备查 - [科学家]

    2010-05-05

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      大家好,我是斯蒂芬-霍金,是物理学家、宇宙学家及梦想家,尽管身体不能活动,只能通过电脑与大家交流,但从内心中我是自由的,自由地探索宇宙,思考以下重大问题:时间旅行是否可行?能否打开一个回到过去的通道,或找到通向未来的捷径?我们最终能否利用自然规律成为掌控时间的主人?

      在科学界,时间旅行一度被认为是歪理学说。过去因为担心有人会把怪人的标签贴在自己身上,我对这个问题常常避而不谈。但现在,我不再那么谨小慎微了。事实上,我更像是建造了巨石阵的那些人。我对时间痴迷已久,如果有一台时间机器,我会去拜访风华正茂的玛丽莲-梦露,或是造访将望远镜转向宇宙的伽利略。或许,我还会走到宇宙的尽头,破解整个宇宙湮灭之谜。

      为了让这一切从虚幻变成现实,我们应以物理学家的角度来重新审视时间——即第四维。这个问题没有听上去那么晦涩难懂。每个好学的孩子都知道,任何物体都以三维形式存在,包括坐在轮椅上的我。一切物体都有宽度、高度和长度。此外,还有一种长度——时间的长度。例如,虽然一个人可能活了80岁,但巨石阵的石头却数千年屹立不倒。太阳系的运行将持续数十亿年。

      一切物体都有时间以及空间的长度。时间旅行意味着我们要经过第四维。要想搞明白这一点,我们可以想象正在从事一种日常活动,比如开车。开车沿直线行驶,是在一维中旅行。向左转或是向右转,则是二维旅行。驱车上下山路意味着又多增加了高度,所以是在三维空间内。那么我们怎样才能实现时间旅行?怎样才能发现穿越第四维的通道呢?

      无处不在的“虫洞”

      让我们暂时从科幻电影中寻找答案吧。在此类电影中,通常会有一台巨大而高能耗的时间机器,这台机器产生通往第四维的通道——“时光隧道”。时光旅行者——勇敢但可能有些鲁莽的人,做好我们大家所知道的准备,然后走进时光隧道,来到一个他们想要到达的时间里。这一概念可能有些牵强,事实可能与之存在着天壤之别,但该想法本身不是那么的疯狂。

      物理学家们也在思考时光隧道,但我们的角度不同。我们想搞清过去或未来的通道是否存在于自然规律中?事实证明,我们认为确实是这样的。而且,我们还给它们起了一个名字:虫洞。其实,虫洞无处不在,只是因为太小,我们肉眼看不到罢了。虫洞非常小,存在于时空的隐蔽处和缝隙里。你或许认为这是一个难以理解的概念,请耐心听我继续解释吧。

      任何物质都不是平整无暇和实心的,如果仔细观察,会发现它们上面都存在小孔和裂缝,这是一个基本的物理原理,同样适用于时间。即便是像台球一样的东西,上面也有裂缝、褶皱或空洞。现在容易说明这种情况也存在于第一个三维中。相信我,这一原理同样适用于第四维。时间也存在许多微小的裂缝、褶皱和空洞。在最小的刻度下——比分子甚至原子都小,我们来到一个称为量子泡沫(quantum foam)的地方,这是虫洞存在之处。

      时空中的微小隧道或捷径不停地在这个量子世界中形成、消失和重新形成。它们可以连接两个隔离的空间以及两个不同的时间。不幸的是,现实生活中这种时光隧道非常狭小,即使发现了它们,我们也不能从这个缝隙穿过——可这正是“虫洞时间机器”概念的前进方向。部分科学家认为,或许有一天捕捉到一个虫洞,将它放大数万亿倍,令其足够的大,能让人甚至飞船进入。

      如果我们拥有足够的能量和先进的技术,将来或许甚至能在太空中建造一个巨型虫洞。我并不是说一定可以做到,但如果真的有这种装置,那么确实很了不起。一端在地球的附近,另一端则在遥远的星球附近。从理论上讲,虫洞或时光隧道不仅仅能把我们带到别的星球。如果两端在同一个地方,且由时间而非距离分离,在遥远的过去,飞船就能在地球附近自由出入。或许恐龙会看到飞船登陆的场景。

      “疯狂科学家”悖论

      如今,我意识到以四维方式思考并不容易,虫洞是一个令你绞尽脑汁的概念。我一直想做一个简单的实验,揭示人类通过虫洞的时间旅行是否可行,或是现在,或是未来,我喜欢简单的实验和成功后的香槟酒。所以,我将自己最喜欢的两件事情结合起来,探讨时间旅行是否可行。让我们设想一下这样的场景,我参加一个为未来旅行者举办的欢迎宴会。

      由于出现意外,我没有让别人知道,直至欢迎宴会结束以后。我写好了邀请函,注明了准确的时间和空间坐标。我希望它能以这样或那样的形式存在数千年。或许,未来一天有人会发现邀请函上的信息,利用虫洞时间机器回到我的宴会,证明时间旅行将来是可行的。

      与此同时,时间旅行贵宾应该随时会降临,五个或一个。但就在我说话的工夫,仍没有人到来,真是惭愧。我希望至少未来的“环球小姐”能踏进这扇门。这项实验为何不奏效?一个原因可能是回到过去的时间旅行所存在的问题——我们称之为悖论,一个众所周知的问题。探讨悖论是一件很有趣的事情,最著名的悖论通常被称为“祖父悖论”。

      我有一个新的简化版本——“疯狂科学家”悖论。我不喜欢一些电影中科学家被描述成疯狂的群体,但在这种情况下,确实如此。这个家伙决心建立一个悖论,即便付出生命代价在所不惜。可以想见,他是在建造虫洞——仅需一分钟就来到过去的时光隧道。通过虫洞,这位科学家可以看到他一分钟以前的自我。

      如果这位科学家利用虫洞向以前的自我开枪,会发生什么事情?他现在已经一命呜呼。那又是谁开的枪呢?这便是一个悖论,听上去毫无意义。但这却是那种让宇宙学家做噩梦的状况。这种时间机器会违反整个宇宙所遵循的基本规则。我认为一切皆有可能。如果真是如此,那么就没有任何办法阻止整个宇宙陷入混乱。所以,我认为有些事情总会发生以阻止这种悖论。

      探索通向未来的“钥匙”

      在某种程度上,这或许是科学家永远不会发现他面临向自己开枪境地的原因。在这种情况下,我只能遗憾地告诉大家,虫洞本身就是一个问题。最后,我认为像这样的虫洞不能存在,原因就是反馈。如果你有到摇滚演唱会现场观看演出的经历,你可能会辨别出这种尖利的噪音。这就是反馈,引起反馈的原因很简单。声音进入麦克风,通过电线传播,经由扩音器令声音放大,在一个环状物内绕来绕去,每次令声音比上一次更大。如果没人阻止,反馈能够破坏音响系统。

      虫洞也会遇到这种问题,只不过声音换成了辐射。一旦虫洞变大,大自然的辐射物会进入,最终形成一个环路。反馈变得如此强劲,最终摧毁虫洞。虽然微型虫洞确实存在,也有可能在某一天不断膨胀,但持续时间不会太长久,所以不能当作时间机器使用。这是没人能及时回到我晚会的真正原因。任何通过虫洞和其他方式回到过去的时间旅行或许都是不可能的,否则,悖论就会出现。

      因此,遗憾的是,回到过去的时间旅行应该永远不会上演。对于寻找恐龙的人来说,这会令他们大失所望,但对于历史学家而言,他们可以彻底解脱了。故事到此并未结束。这并没有使所有的时间旅行不可行。我确实对时间旅行深信不疑,对通向未来的时间旅行更是如此。时间就像河流,我们每一个人仿佛被时光的流动无情地卷走,只不过时光是另一种形式的河流——以不同速度、在不同地点流动,这是通向未来的“钥匙”。

      一百多年前,爱因斯坦最早提出了这一概念。他认为,世上应该存在让时间慢下来的地方,以及让时间加速的地方。他绝对是正确的,证据恰恰就在我们的头顶。这便是全球定位系统,简称GPS。一个卫星网络正在地球周围轨道运行,它们使得卫星导航成为可能,同时还表明时间在太空的运行速度快于在地球上。每一艘太空飞船内部都是一台运行精确的钟表。虽然如此精确,但每天仍会快十亿分之一秒左右。

      卫星导航系统必须为此做出矫正,否则,微小的差异就会扰乱整个系统,令地球上所有的全球定位系统每天都会出现大约6英里(约合9.7公里)的误差。你可以想象由此造成的后果。钟表并不存在这样的问题,走得快是因为时间在太空比在地球运行快。造成这种非同寻常影响的原因是地球的质量。爱因斯坦发现,物质会减缓时间运行速度,就像是河的下游一样。物体越重,对时间的阻力越大。这种惊人的事实为通向未来的时间旅行开启了大门。

      引力无穷的超大质量黑洞

      恰恰在银河系中心,距离地球2.6万光年远的地方,拥有银河系中最重的天体——一个质量相当于四百万个太阳的超大质量黑洞,在自身引力作用下,它被压缩为一个点。距离这个超大质量黑洞越近,遭遇的引力就越强。一旦距离其过近,连光线都无法逃脱,会被吞噬。这样的超大质量黑洞对时间具有显著的影响,令其减缓的速度远远超过银河系中的任何物体。这使得它是台“天生的时间机器”。

      我喜欢想象宇宙飞船如何能充分利用这种现象。如果某个航天机构正在控制从地球发射的探测器,他们会发现绕轨道运行一圈的时间为16分钟。对于飞船上的勇敢者来说,靠近这个超大质量物体,时间就会慢下来。在这里,引力影响远比地球引力极端。机组人员的时间将会减慢一半。对于原本每圈要耗费的16分钟,他们其实仅经历了8分钟。

      想象一下,当飞船及机组人员绕这个黑洞运行五年时,别的地方已经过去了十年。当他们回到家乡,地球上的人比他们老了五岁。所以,超大质量黑洞就是一台时间机器,当然,这还不是非常的实用。超大质量黑洞之所以比虫洞更有优势,是因为不会激发悖论。此外,它不会因反馈走上自我毁灭之路。

      然而,通向未来之旅并非一路坦途。地球距离未来世界漫长无边,让我们距离未来非常遥远。幸运的是,我们还有另一种时间旅行方式,这也是我们建造货真价实的时间机器最后、也是最大的希望。旅行速度必须超级快,甚至比避免被吸进黑洞所需要的速度还快。这是因另一个涉及宇宙的奇怪事实所致。宇宙中存在着速度限制,即每秒钟18.6万英里(约合30万公里),亦称光速。

      任何物体不能超越这一速度。这也是科学界最成熟的理论原则之一。无论是否相信,以接近于光速的速度旅行可以将你送达未来世界。要想理解这一点,我们可以想象一个具有科幻色彩的交通系统——一条遍布地球周围的轨道,为超高速火车准备的轨道。我们将利用这列想象出来的火车,尽可能地接近于光速,看它如何变成一台时间机器。列车上的乘客购买了通向未来的单程车票。火车开始加速,越来越快,不久开始绕地球一圈圈运行。

      如何突破速度限制

      达到光速意味着绕地球运行速度要飞快,比如每秒钟绕7圈。不过,无论这列火车的动力有多强劲,它永远也无法到达光速,因为物理学原理令其做不到这一点。假设它接近光速,距离这一终极速度还有一点距离。现在非同寻常的事情发生了。列车上的时间相对于地球开始减缓,就如同靠近超大质量黑洞一样,而且有过之而无不及。列车上一切物体的活动都变慢。这是为了保护速度限制,原因并不难理解。

      想象一个孩子跑向迎面而来的火车。他前冲的速度增加至列车的速度上,所以,他难道不能在意外中突破速度限制吗?答案是否定的。自然规律会令列车上的时间减缓,使得这一幕永远不会发生。这个孩子跑得再快,也不能打破速度限制。时间总是会减慢,足以“保护”速度限制。这一事实源于耗费多年踏上未来之路的可能性。

      想象一下这样的场景:2050年1月1日,一列火车离开车站,绕地球轨道一圈又一圈,直至100年以后,最终在2150年新年夜停下来。此时,乘客们在世上的时间也只剩下一周,因为身在火车上,时间过得非常慢。当他们离开火车,会发现一个完全不同于车上环境的世界。在一周内,他们已经在通向未来的道路上前进了100年。

      当然,建造一列能达到这种速度的超高速火车的可能性微乎其微。不过,我们已经在位于瑞士日内瓦的世界最大的粒子加速器——大型强子对撞机——建造了这样的装置。大型强子对撞机位于瑞士和法国交界地下100米深处一条总长16英里(约合25.75公里)的环形隧道内,一旦开足马力,这台对撞机能在瞬间从零加速至每小时6万英里(约合每小时9.7万公里)。

      令动力和粒子的速度变得越来越快,直至它们能以每秒1.1万圈的速度绕隧道运行,这时,速度将接近于光速。但是,就像是上面描述的那列火车一样,它们永远无法到达这一终极速度,最快只能达到光速的99.99%。发生这种情况的时候,进行时间旅行是不切合实际的。由于一种称为兀介子的“短命”粒子,使我们了解了这一点。通常情况下,兀介子会在250亿分之一秒内分解。当它们被加速至接近光速时,寿命是以前的30倍。

      “天上一日,地下一年”

      情况的确就那么简单,如果我们想踏上未来之旅,那么速度必须快。我认为实现这一目标的唯一途径是进入太空。在人类历史上,速度最快的载人飞船“阿波罗”10号,速度为每小时2.5万英里(约合每小时4万公里),但要实现在时间中旅行,我们的速度必须是“阿波罗”10号速度的2000倍。按照这种思路,我们应该先制造一个巨大的飞船,里面可以装载着巨量燃料,令其加速至接近于光速,在全负荷动力运行下,实现这一目标仍需要六年时间。

      由于飞船如此的庞大和沉重,最初的加速度相对平缓。随着时间的推移,飞船速度非常快,不久即覆盖广大区域。一年以后,我们到达了系外行星。两年后,它的速度将达到光速的一半,距离太阳系越来越遥远,再过两年它可能会已经达到光速的90%。在发射四年后,飞船距离地球30万亿英里(约合4.8万亿公里)远,这意味着飞船将开始时间旅行,届时,它的速度接近于光速,在船上呆一天,相当于在地球上呆两天。

      再经过另外两年全负荷动力飞行,飞船将到达其最高速度——相当于光速的99%。在这一速度下,在船上呆一天,那就意味着在地球上度过一年的时间。飞船确实“飞进”了未来。时间变慢还有另一个优势,从理论上讲,这意味着我们一生当中可以跨越无尽的距离。探索银河系边缘之旅将耗费80年的时间。

      然而,未来之旅真正惊奇之处在于,揭示整个宇宙有多么的奇特。在宇宙中,不同的地点,时间运行的速度不同;微小的虫洞存在于我们周围每一个角落;最终,我们将利用掌握的物理学知识,成为穿越第四维的真正宇宙旅行者。

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    评论

  • 我是理论科青,技术文青
  • 陈老师,你是文青里的科青,你还是技术控里的理论家