发新话题
打印

时光机器和虫洞

时光机器和虫洞

友站李淼闲谈物理授载

《新京报》的《新知周刊》两个礼拜前让我写一篇关于时光机器和虫洞的茶座文章,一直拖到今天深夜才找到时间写。文章要求1500字,所以写出来的东西对这个博客的读者来说肯定显得太浅,因为没有空间展开。下面是这篇刚刚速成的文章。

时光机器和虫洞

自从有了爱因斯坦的广义相对论以来,时光机器成了物理学家的一个严肃的研究对象。在此之前,科幻小说作者赫伯特·乔治·威尔斯在1895年写了一部小说《时光机器》,小说的主角是一个业余发明家,发明了一部可以在时间中旅行的机器。将时间看成第四维:如同我们可以从空间的一点走到另一点,时光机器可以帮助他从一个时间走到另一个时间,既可以走到未来,也可以回到过去。

《时光机器》与其说是一部科幻小说,不如说是一部政治小说,因为作者想通过时间旅行者传达一个观点,资本主义的发展可以使得人类和社会退化,就像时间旅行者旅行到未来所看到的那样,富有阶层在80万年后演化成没有智力、不会生病、不需要工作从而虚弱的人种,而劳动阶层演化成野性十足的类似大猩猩的人种。在更加遥远的未来,地球停止自转,水星和金星被太阳吞食,
渐渐地太阳变成红巨星,地球上不再存在生物。

在物理学中,走向未来并不困难,因为我们每个人都在走向未来。问题是,我们能不能在有生之年走向遥远的、超过我们寿命的未来?这在狭义相对论中也不困难。所谓的双生子佯谬,说的就是这种可以发生的事,只要我们乘上速度接近光速的飞船,飞完一圈后回到地球,我们就会发现本来和我们同时的人比我们老很多,甚至不存在了,这是相对论时间缩短效应,我们的时钟相对地球的时钟变慢了,从而我们也显得年轻了(我们身体内部的一切过程都变慢了)。引力场也会起到同样的作用,假如我们能够到一个黑洞的边缘旅行一次再回来,也能在有生之年走到遥远的未来。当然,现代技术还不能够实现这个理论上是可能的事。

要想回到过去就很困难了,至少在狭义相对论中这是不允许的事。因为这个理论有两个基本限制,第一我们的速度不能超过光速,第二我们不能回到过去。其实,稍微想一下,回到过去要求一个奇怪的现象发生,就是我会遇上过去的我。如果我们将空间和时间想象成一个四维空间,我的生命轨迹就是一个闭合线,这是狭义相对论所禁止的。广义相对论就不同了,表面上看,这个物理理论允许闭合线存在。这里我们必须强调一点,这种允许时间了旅行的闭合线的一个特点让我们称其为类时闭合线。理由是这样的:三维空间中当然存在闭合线,这样的闭合线叫做类空闭合线。要求我们的生命轨迹是闭合线就要求顺着这条线,主要是时间在变化,而不是空间在变化,这就是类时闭合线了。广义相对论认为时间和空间是弯曲的,原则上类时闭合线就存在了。如果类时闭合线存在,就会引起无数荒谬的事情发生,例如,当一个人回到过去遇到早年的自己时,也许他会发疯杀死早年的那个自己,自然也就不会有将来的自己,也就不可能回到过去,再杀死自己。

不过,在爱因斯坦的理论中,时空弯曲是物质引起的,就像电磁场的存在是电荷和电流引起的一样。爱因斯坦的方程到底允许不允许类时闭合线的存在?在非常特殊的情况下,的确可以,例如在一个旋转的黑洞内部。就存在类时闭合线。有些人认为,当我们将量子力学的效应包括进来的时候,类时闭合线就不再存在了,也就不会发生前面提到的荒诞的事件。

TOP

公众感兴趣的另一个话题是虫洞。虫洞其实就是一种从空间一点到另一点的捷径。如果相对论不允许超光速存在,那么我们就不可能访问远离我们的天体。想象一下,银河系的最大直径是10万光年,也就是说,光从一端走到另一端要化10万年时间,所以人类在有生之年不可能访问哪怕是银河系内的足够远的星球。将相对论的时间缩短效应加进来,也许旅行者自己可以访问那个星球,当他回来时,早已物是人非了,这种旅行对没有旅行的人没有任何意义。如果虫洞存在,也许我们就可以做到这一点了。的确很难在我们生活的三度空间中想象虫洞,下面我们用一个两维的平面的例子类比虫洞。取一张白纸,将白纸弯曲过来,如下图。很明显,一个平面动物沿着红线指示的方向走,从一点走到另一个相对的点可能会很远。如果我们在这两个相对的点加上一个同样是两维(也可以是纸做的)的圆筒,现在平面动物顺着绿线指示的方向沿着圆筒走,路途就近多了。我们常常说到的虫洞就是三维空间中的这样的“圆筒”。

与时间旅行相反,即使是爱因斯坦的理论也不允许虫洞的存在。当然,现在还没有人能够严格证明这一点,但人们在研究方程的时候常常发现负能量才能够产生虫洞。虫洞如果存在,也能够被利用制造时光机器。将虫洞的一个出口相对另一个出口加速绕一圈再回来,就能形成时光机器了。

TOP

编辑徐德芳兄还附来一篇新浪科技的稿子,我将它贴在下面

注:下面提到的米奇奥-卡库其实是日裔美国人,人名不该这么翻译。

科学家称人类无法通过时光机器回到过去(图)

http://www.sina.com.cn 2007年03月09日 15:13 新浪科技

  据美国有关媒体3月9日报道,在各种科幻小说中,时光旅行是最令人激动的设想之一。人们设想在登上时光机器后,可以在瞬间回到他所希望前往的那个时代。那么,人类是否真的进行时空旅行?是否真的可以通过机器回到过去?美国科学家近日表示,时光旅行只是一种美好的想法,在现实中是根本不可能实现的。

  美国哥伦比亚大学物理学家、畅销书作者布莱恩-格林说,很多人都有过进行时光旅行的想法,他们或者是为了与故去的亲密爱人重逢,或者是希望能制止惨绝人寰的杀戮等。时光旅行不失为一种美好的愿望,它为各种科幻小说提供了绝妙的素材。关于如何回到过去,人们曾进行了无数的设想。”这些设想,如果仔细推敲,都是在跟物理学打擦边球。我们认为,所有这些设想,几乎无一成立。”

  第四度空间

  在物理学上,时间被认为是除了长、宽、高之外的第四度空间。当你从家里走到零售店时,你在空间的三个维度都作了位移:长度、宽度、高度。其实,你也在第四维度–时间维度–进行了运动。

  美国纽约城市大学天体物理学家、《空间:我们在宇宙中的家》一书的作者查尔斯说,”时间和空间在时空四维构造中密不可分”。查尔斯进一步解释说,时空可以看作是一块四维的弹性纤维。”当任何有质量的物体–你、我、以至一颗行星或其它星星–落到这块纤维上时,它就会激起一片涟漪。这个涟漪,相当于由带质量的物体引起的时空弯曲”。时空弯曲使物体沿着一条弯曲的路线运动,空间的曲率就是我们所熟知的重力加速度。

  查尔斯还表示,根据天体物理学理论进行的推测表明,对于空间上的三个维度,人们可以来去自如。但对于时间维度,人们就无法如此自由了。在四维时空中,对于时间维,人们只能向前,不可能向后倒退。

  回到过去的时光隧道

  关于时光旅行,人们有过很多美丽的遐想,最成熟的一个设想是通过虫洞。人们设想,通过虫洞,可以将两个不同的时空连接在一起。相连的两个时空,可以是两个完全不同的宇宙,也可以是同一宇宙的两个不同地方。任何物体都可以通过虫洞,从一个时空自由出入另一个时空。

  美国纽约城市大学物理学家、《自由空间》和《平行世界》两本书的作者米奇奥-卡库说,”虫洞连接着将来,也连接着过去。但我们别太乐观了,因为供应时间机器的燃料绝不是人类目前的技术所能达到的”。卡库说,在时空这个物体上”钻孔”,需要一颗星星那么大的能量,或者相反,需要来自比”无”还要少的其它星体上的”负能量”。

  超弦理论专家格林对上述设想提出质疑。超弦理论主张宇宙万物都是由一连串紧密排列的微细能量组成,随着它们不同的震动模式而衍生出不同的状态和现象。

  格林说,”很多人对这种做法是否管用持怀疑态度。最乐观的估计是,如果你能打开这样一个孔,你就能从一个地点快速到达另一个地点,或者从一个时刻迅速赶往另一个时刻。”

TOP

宇宙弦理论

  另外一个时空旅行爱好者津津乐道的理论是宇宙弦理论。宇宙弦理论说的是,在不断膨胀的宇宙中,有贯穿整个宇宙的能量管。这些细细的管子,是早期宇宙的残留,据说质量非常之大,可以造成周围时空的巨大弯曲。

  里查德-格特是美国普林斯顿大学的天文物理学家,曾著有《在爱因斯坦的宇宙中作时空旅行》一书。里查德-格特说,”宇宙弦或者是无限长,或者是成环形,它们没有起始点。它们就像意大利面条那样,或者是围成圆形的意大利面条。两种弦理论是互不干涉的。由于它们都能给时空带来巨大弯曲,因此它们在理论上都给时光旅行提供了可能性。这是一个只有超级文明才有可能达到的目标,这远不是目前的我们所能做到的。我们甚至连自己星球上的能源都控制不了。”

  但是,仍有一些科学家认为,回到过去在理论上是可能的,虽然这不大符合实际。里查德-格特同时也认为,人类可以在地球上看到某些短暂的宇宙粒子。对于人类来说,这些粒子的行程大约有数千年,但粒子感觉其穿越太空、到达地球的过程仅仅用了几分钟时间。实际上,这些宇宙粒子已经进入了未来。基于爱因斯坦的理论,可以将空间充分扭曲来制造一个局部的重力场,就如同一个能够以任意大小呈现的炸面包圈一样。重力场绕着这一炸面包圈围成一个圆圈,这样就使得空间和时间都能紧紧地”弯曲”到过去。尽管很难描述这一”炸面包圈”在现实生活中的样子,但数学公式显示,时光机器中每一阶段的时间都将在”炸面包圈” 内的某一个空间内产生。

  理论上说,在时光机器制成后回到过去的任一时间都是可能的。但到目前为止仍然有一个小小的障碍还未得到解决,那就是如何产生重力”炸面包圈”。科学家们进行过大量研究和思考,发现可能需要推动一个高质量物体做高速圆周运动。

  时光旅行难成现实

  查尔斯在接受记者采访时说,从数学上讲,你当然可以说某种东西正沿着时间轴往后退。但在实际上,无论是你还是我,都无法回到过去。

  卡库也表示了相同的观点,他说,如果存在一个万能理论的话,人类就可以通过时间隧道解决所有的上述难题,看时间旅行是否真的可行。”但这需要比我们目前的科技能力要先进得多得多的技术。不要幻想明天就有一个年轻天才在报纸上发表声明,说自己已经发明出了什么时间机器。”

  格特目前正在担任一部关于时光旅行的电影《超时空效应》的科学顾问。他在接受记者采访时表示,目前,关于在时间维度进行旅行,唯一确定的是每过去一分钟,我们就向未来迈出了一步。所以,对于那些想知道地球在一百万年之后是什么样子的人,科学家们有好消息等着他们。”如果你想知道地球在一百万年以后是什么样子,我可以告诉你怎么做”。格特给出的方法是:建造一艘宇宙飞船。以光速行驶一定的时间,然后再回到地球。当你走出飞船的那一刻,你可能就在一百万年之后的地球上了,而你本人,可能才只长了一岁。这样,你去未来地球旅行的愿望就实现了。

TOP

相比之下能去未来更有吸引力,像a外传,还有钢巴斯塔……(中毒了中毒了,三句话不离本行)

TOP

这个区终于有人回帖了~

楼上在做汽车配件生意吗?

[此贴子已经被作者于2007-6-14 19:24:25编辑过]

TOP

纵有千古,横有八荒,前途似海,来日方长……

TOP

根据平行世界原理,即使回来了那也是另一个历史了,不是我们这个

我希望有啊,这样就能去看曹雪芹后28回的红楼梦了……

TOP

发新话题