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我们可以穿越时空吗?时间旅行者真的存在?

来源:新浪科技 2017-03-01     

  来源:中国科普博览公众号

  We all have our time machines, don‘t we。 Those that take us back are memories。。。And those that carry us forward, are dreams。

  —— H.G.Wells

  穿越时空一直都是科幻小说中最受欢迎的题材。我们也一直在寻找时间旅行的可能性,希望有朝一日科幻能够成为现实。

  问题是,如果时间旅行是有可能的,我们周围是否已经有了时间旅行者?

  ▲霍金发出的请柬。

  为了检验我们生活的世界中究竟有没有时间旅行者,2009年6月,霍金特地为“时间旅行者”举办了一场的派对。他给时间旅行者写了请柬,邀请他们于某个指定时间到剑桥大学内的某个制定地点参加派对。请柬是在派对结束一年后才发出的,所以只有来自“未来”的时间旅行者才能知道这次聚会的举办地和时间,这样可以确保没有普通人因提前知道消息而冒充时间旅行者。

  ▲没有时间旅行者出席在霍金的派对上。

  结果可想而知,没有人出现在派对上。物理学家并不死心,2013年,物理学家奈米罗夫等人发表了一篇论文:“寻找时间旅行在互联网上的足迹”。 他们在互联网上搜索时间旅行者上网的证据,也就是时间旅行者留下的数字信息。当然他们又失败了。

  这是否意味着回到过去是不可能的?霍金在《时间简史》一书中就有探讨,如果没有时间旅行者就意味着重返过去的时间旅行或许是不可能的。这是因为时间旅行在目前显然还不可能,从而时间旅行者只能来自未来,到我们的周围对他们来说即重返过去。

  如果不可能回到过去,那么前往未来呢?

  从某种程度上来说,我们每个人都是时间的旅行者,因为我们都在沿着现在的时间一直走向未来。而在科学理论上,的确有一些方法可以做到像科幻片中的场景那样穿梭到未来去。 下面是几种可行的方案,但各有缺点。

  接近光速

  前往未来的最容易和最实用的方式就是速度要够快。根据爱因斯坦的狭义相对论,当你以接近光的速度行驶时,相对于外界的世界,你的时间会慢下来。

  这不是一个猜想或思想实验,而是被实验严格验证了。物理学家利用两个原子钟(一个放在一架喷气式飞机上,另一个静止在地球表面上)进行比对。测量结果表明,飞行的原子钟流逝得要相对慢些。

  在飞行的情况下,时间变慢的效应是微不足道的。但如果你是在一艘宇宙飞船中,并以90%的光速行驶,那么你所所经历的时间会比地上的时间慢多少?其实,我们只要通过下面这个简单的公式就能计算出:

  把 v = 0.9c (c是光速)代入公式,就会得到在飞船中经历的时间要比在地球表面的时间慢 2.3倍。换句话说,当你的速度越接近光速,时间旅行成功的机会就越大。

  再举个例子,在实验室中,μ子(跟电子的性质完全一样,除了质量更大)的平均寿命为2.2微秒。从经典力学的速度公式计算,μ子运动的平均距离只有约660米。但是我们却观测到来自外太空的 μ子 穿过了15千米的大气到达地面。这是因为 μ子 的运动速度非常快,因此它的时间会明显变慢。从地球上的观察者看来,μ子的寿命比2.2微秒长得多,所以大部分μ子能够在衰变前到达地面。(读者也可以自行以μ子作为参照系分析这一情况。)

  目前,人类所能实现的最快速度是在大型强子对撞机中,质子可以加速到99.9999%+的光速。但是记住,根据物理定律,质子永远无法运动的比光还快,因为这需要无限大的能量。

  超大质量黑洞

  第二个方法仍然是基于爱因斯坦的理论。根据他的广义相对论,你感受到的引力越强,时间流逝得就越慢。利用一对安装在水塔的塔顶和塔底的两个非常精准的钟,这个预言在1962年被验证,在塔底的时钟走得更慢些。发现了没,其实你的头和脚感受到的时间流逝也不同哦。但是这个差别是非常小的。

  ▲星系NGC4526的超大质量黑洞的艺术描绘,质量是太阳的450,000,000倍。由于黑洞的强大引力,时间会流逝的更慢。(图片来源:NASA-JPL Caltech)

  为了前往遥远的未来,我们就需要一个引力非常强的区域,比如超大质量黑洞。如果你看过《星际穿越》这部电影,对这个概念应该不会陌生。当你越靠近黑洞,你的时间流逝的就越慢。比如在电影中,靠近黑洞的一小时就相当于地球上的7年,当然这是极端的情况。在靠近黑洞时千万要注意,不要越过黑洞的事件视界,否则你就永远逃脱不了。

  可以说,黑洞就是宇宙中的天然时间机器。(关于黑洞有许多的悖论,可阅读《落入黑洞的信息去哪里了?》)

  ▲在国际空间站上,时间流逝要比地球上的会慢一点。虽然国际空间站的时间同时受到了引力和速度的影响,但由于引力的作用很弱,因此速度是主导时间流逝的主要因素。(图片来源:ESA)

  上面的两个方法都跟相对论有关,看起来好像离我们很遥远,但是要记住我们每天都在使用的GPS就必须考虑到相对论的效应,我们需要修正卫星的速度和它们感受到的引力所带来的时间延缓,否则就无法精确地定位。同样的情况也发生在国际空间站,从某个角度看,在空间站的宇航员就是时间旅行者。

  虫洞

  ▲虫洞旅行。(图片来源:Wikimedia Commons)

  1935年爱因斯坦和罗森写了一篇论文。他们在论文中指出广义相对论允许时空的两个遥远区域之间存在着捷径,他们称之为“桥”,而现在称作“虫洞”。他的理论被许多物理学家继续发展,包括基普·索恩和霍金。

  其基本想法是,在非常乐观的情况下如果你可以打开一个虫洞,你不仅可以创建一个空间点和另一个空间点的捷径,也可以创造一个时刻到另一个时刻的捷径。

  ▲虫洞为时空的两个遥远区域提供了捷径。(图片来源:edobric | Shutterstock)

  的确,有许多物理学家认为虫洞会在量子尺度上不断地出现和消失,它比原子要小得多。即使这些虫洞存在,我们也有办法使它膨胀,但它也会极度不稳定,因此并不会维持足够久的时间让我们进行时间旅行。在飞船穿过虫洞之前就可以已经缩小断裂,形成两个分离的奇点。在理论上,打开虫洞所需要的巨大能量也可能最终会摧毁虫洞。

  由于广义相对论和量子力学之间的不相容,科学家还没有找到合理的解决方案。而且我们在宇宙中还没有发现任何虫洞的存在,因此这个的想法仍然处于假设阶段。

  进入假死状态

  另一种前往未来的方法就是暂停你的生命,并在未来重新启动。

  我们知道,细菌的孢子可以在假死状态下生存数百万年,直到温度、湿度、食物等适宜条件出现时,才再次开始新陈代谢。有一些哺乳动物,比如熊和松鼠,就可以在冬眠期间放慢它们的新陈代谢,大大减少它们对食物和氧气的需求。

  问题是,我们可以这么做么?

  尽管想要完全停止人类的新陈代谢可能远远超出了当前的技术,一些科学家正在研究如何使人类进入短期的冬眠状态,至少可以持续维持几个小时。对于那些需要医疗急救的人,这几个小时就是他们的救命稻草,让他们及时抵达急症室。

  2005年,美国科学家将小鼠(不冬眠动物)暴露于小剂量的硫化氢中,发现它们的新陈代谢变慢了,因为硫化氢会和细胞受体中的氧结合。实验结果是小鼠的体温下降到13℃,代谢速率下降了10倍。6个小时后,小鼠可以复活,并没有出现任何副作用。

  不幸的是,科学家在绵羊和猪身上进行相似的实验,然而实验失败了,说明这种方法可能不适合体型较大的动物。

  另一种减缓新陈代谢的方法是利用低温的生理盐水溶液代替血液,科学家已经成功在猪的身上进行实验,目前正在进行人体临床试验。

  其它方法

  除了上面提到的4种方法,这里简单提一下物理学家设想的其它三种方法。

  一种是在理论上存在的时空——宇宙弦,在宇宙大爆炸后产生的。由于它们包含了巨大的质量,一些科学家认为它们或许可以弯曲围绕它们的时空,使时间旅行可行。

  另一个种是由物理学家Ron Mallett提出利用旋转圆柱体光束可以扭曲时空。理论上,任何掉进旋转圆柱体的东西都空间和空间都会被延迟,就有机会穿越时间。

  最后一种是天文学家弗兰克·提普勒提出的时间机器(一般称为提普勒柱体)。这需要将十倍太阳质量的物质卷曲成非常长、且密度极高的圆柱。当它极速旋转的时候就会自我形成一个”闭合的类时曲线“。

  除了物理上的问题,时间旅行还引发了许多的悖论。比如最出名的祖父悖论(推荐阅读:《如果你回到过去杀了你的祖父,你还会出生吗?》),引起了物理学家和哲学家的广泛讨论。物理学家也提出了许多的解决方案,比如多重宇宙。当然也有物理学家认为时间旅行不可行,可阅读《为什么时间旅行也许是不可行的?》。

  所以,我们究竟能不能实现时间旅行?我想只有在我们对时间和空间的概念有了更本质的理解后才能回答这个问题。

  你认为呢?

  参考来源:

  https://cosmosmagazine.com/physics/five-ways-travel-through-time

  http://www.theweek.co.uk/health-science/59106/time-travel-four-ways-in-which-it-could-be-possible

  http://www.space.com/21675-time-travel.html