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黑洞和时间旅行有关系吗?揭秘时间旅行的理论、悖论和可能性

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 Connor Feng • 2019-04-13 19:23:31 来源:前瞻网 E2077G1

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几十年来,时间旅行(在不同的时间点之间移动)一直是科幻小说的热门话题。从《神秘博士》(Doctor Who)到《星际迷航》(Star Trek),再到《回到未来》(Back to the Future),各种各样的系列影片都讲述了人类乘坐某种交通工具回到过去或未来,准备开始新冒险的故事。

然而,现实中的时间旅行要复杂的多,并不是所有的科学家都相信时间旅行是可能的,有些人甚至说,即使是尝试进行时间旅行也会对任何选择这样做的人造成致命危险。

了解时间

时间是什么?当大多数人认为时间是常数时,物理学家阿尔伯特·爱因斯坦证明了时间只是一种幻觉;它是相对的——它会因为不同观察者在空间中的速度而有所不同。对爱因斯坦来说,时间是“第四维度”。空间被描述为一个三维世界,它为旅行者提供坐标(例如长度、宽度和高度)以显示位置,而时间提供了另一个坐标——方向,尽管按惯例它只会向前移动。(相反,一种新的理论认为时间是“真实的”。)

爱因斯坦的狭义相对论说,时间的减速或加速取决于你相对于其他物体的运动速度。当一艘宇宙飞船以接近光速的速度运行时,在宇宙飞船里的人的衰老速度要比他们在家里的孪生兄弟要慢得多。此外,根据爱因斯坦的广义相对论,重力可以弯曲时间。

让我们想象有一个叫做时空的四维结构。当任何有质量的物体落在这个结构上时,它会产生一个酒窝或时空弯曲,时空的弯曲会使物体沿着弯曲的路径运动,而这个空间的弯曲也就是我们所知的引力。

广义相对论和狭义相对论的理论都已经被GPS卫星技术所证实。卫星上有非常精确的时钟。

由于重力的影响,以及卫星相对于地面观察者在地球上空的速度增加,未经调整的卫星时钟每天会增加38微秒。(工程师会对差异进行校正。)

从某种意义上说,这种被称为时间膨胀的效应意味着宇航员也是时间旅行者,当他们回到地球时,他们会比他们留在地球上的双胞胎要年轻稍微那么一点点。

穿过虫洞

据美国宇航局称,广义相对论还提出了可以让旅行者回到过去的设想。然而,这些方程可能很难在物理上实现。

一种可能性是用超过光速的速度进行运动(光速在真空中以每秒299,792公里的速度传播),然而,爱因斯坦的方程表明,光速运动下的物体质量为无穷大,长度为0,这在物理上似乎是不可能的(尽管一些科学家已经扩展了他的方程,并表示可能会实现)。

NASA表示,另一种相关的可能性会在时空点之间创造“虫洞”。虽然爱因斯坦的方程为这些虫洞提供了支持,但这些虫洞会很快就会坍塌,而且只适用于非常小的粒子。此外,科学家们还没有真正观察到这些虫洞的存在,并且创造虫洞所需的技术也远远超出了我们今天所拥有的任何技术。

平行时间旅行理论

虽然爱因斯坦的理论似乎使时间旅行变得很难实现,但一些研究小组提出了时空穿梭的替代方案。

无限长的柱体

天文学家弗兰克·提普勒提出过一种机制(有时被称为提普勒圆柱体),把质量是太阳质量10倍的物质卷成非常长、但密度非常大的圆柱体。

按照安德森研究所的说法,在每分钟旋转几十亿转之后,附近的宇宙飞船——沿着一个非常精确的螺旋绕这个圆柱体旋转——就可以使自己进入一个“封闭的、类似时间的曲线”。然而,这种方法也有一些限制,其中包括圆柱体必需要无限长。

黑洞

另一种可能就是让飞船在黑洞周围快速移动,或者用一个巨大的旋转结构人为地创造出这种条件。

“他们一圈又一圈地走,但经历的时间只有远离黑洞的人的一半,宇宙飞船和船上的机组成员就会穿越时间。物理学家史蒂芬·霍金在2010年的《每日邮报》上写道。

想象一下,他们绕着黑洞转了五年,其他地方则会经历十年的时间,而当他们回到家时,地球上的每个人增长的年龄都会比他们多5岁。”

然而,他补充说,宇航员需要以光速飞行才能完成这项任务。以色列海法理工学院的物理学家阿莫斯·艾恩(Amos Iron)也指出了使用机器带来的另一个限制:机器在能够快速旋转之前可能会先解体。

宇宙弦

另一种可能实现时间旅行的理论涉及到一种叫做宇宙弦的东西——宇宙弦是贯穿整个宇宙的狭窄能量管。据预测,这些早期宇宙遗留下来的薄区域包含大量的质量,因此可能会扭曲它们周围的时空。

科学家们说,宇宙弦要么是无限的,要么是循环的,没有尽头。从理论上讲,两根这样的弦相互平行的话会使时空发生剧烈的弯曲,这种特殊的结构将使时间旅行成为可能。

时光机

人们普遍认为,穿越到过去或回到过去需要一个设备——一台时间机器。时间机器的研究经常涉及到弯曲时空,时空的弯曲程度会非常大,甚至大到时间线自身会进行重叠,形成一个环,在技术上这被称为“闭合类时曲线”。

为了实现这一目的,人们通常认为时间机器需要一种具有所谓“负能量密度”的奇异物质。这种奇异物质具有奇异的性质,包括在被推的时候会以正常物质的相反运动方向运动。这样的物质理论上是存在的,但如果它存在话,它的数量可能非常少,并不足以建造一台时间机器。

然而,时间旅行研究表明,就算没有这种奇异物质,时间机器还是可能存在的。这项工作从一个甜甜圈形状的洞开始,它被包裹在一个正常物质的球体中。在这个甜甜圈形状的真空中,时空可以利用聚焦的引力场弯曲自己,形成一个闭合类时曲线。为了回到过去,旅行者会在甜甜圈里赛跑,每跑一圈,就会回到更远的过去。然而,这一理论也存在一些障碍。形成这样一条闭合类时曲线所需要的引力场必须非常强,而且对引力场的控制必须非常精确。

祖父悖论

除了物理问题,时间旅行也可能伴随着一些独特的情况。一个典型的例子就是祖父悖论,一个时间旅行者回到过去并杀死他的父母或他的祖父(《终结者》电影的主要情节),或者干涉他们的关系(《回到未来》的情节)之后,他就变成从来没有出生过,或者他的生活被永远改变。

一些物理学家说,如果这种情况真的发生的话,在一个平行宇宙中你将不会出生,但在另一个平行宇宙中你仍然会出生。另一些人说组成光的光子更喜欢在时间轴上保持自我一致性,这会干扰到你的邪恶自杀式的计划。

一些科学家不同意上面提到的想法,他们说,无论你用什么方法,时间旅行都是不可能的。“比光还快的物体”这个概念尤其受到了美国自然历史博物馆天体物理学家查尔斯·卢的嘲笑。

“简单地说,从数学上讲这是行不通的,”他在过去接受采访时说。

此外,人类可能根本无法承受时间旅行。查普曼大学(Chapman University)物理学教授杰夫·托拉克森(Jeff Tollaksen) 在2012年说,以接近光速的速度飞行只需要一台离心机,但这将会是致命的。

使用重力也是致命的。要经历时间膨胀,你可以站在中子星上,但在经历时间膨胀之前你就会先被压力撕碎。

小说中的时间旅行

2015年的两篇文章描述了时空旅行在小说中的不同运作方式,以及有史以来最好的时空旅行机器。这些小说中使用的一些方法包括:

去未来的单程旅行:旅行者离开家,但他或她离开的人可能在旅行者回来时已经变老或死去。

例子:《星际穿越》(2014)、《伊卡瑞XB-1》(1963)

穿越更高维度的时间旅行:在《星际穿越》(2014)中,宇航员可以通过“tesseracts”旅行,因为飞船将时间表示为空间的维度。马德琳·恩格尔(Madeleine L'Engle)的《时间的皱纹》(A Wrinkle in Time)(2018年,根据1963年开始出版的系列丛书改编)中也表达了类似的概念。然而,这本书是利用超自然生物使旅行成为可能的。

时空漩涡旅行:著名《神秘博士》(1963年至今的)TARDIS塔迪斯飞船(“空间中的时间与相对维度”)利用一个超维度漩涡穿越时间,而在机器里面的旅行者会感觉时间在正常地流逝。

瞬时旅行:例子包括《穿越时间的女孩》(2006)、《回到未来》(1985)中的德洛伦跑车(DeLorean),以及《洛基与布尔温克尔秀》(The Rocky and Bullwinkle Show)中皮博迪先生的WABAC机器(1959-64)。

静止的时间旅行:《时间机器》(1895年出版)和《哈利·波特》中赫敏·格兰杰的时光转换器都让旅行者在穿越时间时保持静止状态。

慢时间旅行:在《初始者》(2004)中,一个旅行者在时间旅行时会呆在一个盒子里。他们想回到过去一分钟,就需要在盒子里呆一分钟。如果他们想回到过去一天,他们必须在那里呆24小时。

超光速旅行:在1979年的电影《超人:电影版》中,超人通过超光速飞行穿越时空,在露易丝·莱恩被杀前救了她。格里高利·本福德(Gregory Benford)在1980年的小说《时间景象》(Timescape)中也使用了这个概念。在小说中,主人公将比光速还快的超光速粒子(假设的)发射回1962年的地球以警告可能发生的灾难。在《星际迷航》的几部剧集和电影中,企业号通过到达超光速速度来穿越时间。在漫画书和电视剧《闪电侠》(the Flash)中,这位超级跑者使用一台宇宙跑步机来穿越时间。

难以归类的方法:在1994年的电影《时空特警》(Timecop)中,有一辆火箭雪橇在使用时会突然出现或者消失在人们的视野中,这引发了人们猜测正在发生什么事情。在《终结者》系列电影中也出现了时间置换设备,它展示了如何在四个维度(包括时间)中进行一场战争。

那么时间旅行有没有可能实现?

虽然时间旅行似乎不可能实现——至少在人类能够在时间旅行中生存下来这方面来说是不可能的——但根据我们今天的物理学,这个领域正在不断变化,量子理论方面的进步或许可以为我们提供一些关于如何克服时间旅行悖论的理解。

也许解决某些粒子如何能以超过光速的速度在彼此之间进行即时通讯的谜题,可以为时间旅行提供一种实现的可能性。

而与此同时,感兴趣的时间旅行者至少可以通过电影、电视和书籍来体验时间旅行。

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