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  • 时光机[“时间旅行”机器]

    时光机是威尔斯1895年的著作《时间机器》中的能够进行时间旅行的机器。表面上这看似无稽之谈,但自相对论提出之后,时光机在理论上已经有了依据。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 时光机
    提出时间: 1895年 出自作品: 《时间机器》
    作者: 威尔斯 目的: 进行时间旅行
    类型: 机器

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    科幻现实/时光机[“时间旅行”机器] 编辑

    自从威尔斯在1895年写下《时光机器》这部脍炙人口的小说后,时光旅行就一直是科幻小说的流行主题。可是这真的造得出来吗?我们真能造部机器把人传送到过去或未来吗?

    在过去数十年中,时光旅行一直是和科学殿堂沾不上边的,但近年来,这个话题已经开始在不受限的时光旅行竟成可能,甚或只是原理上行得通,则此一统理论的本质也会受到彻底的影响。

    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。”

    我们对时间的最佳认识是从爱因斯坦的相对论而来。在相对论问世前,一般认为时间是既绝对又普适,不论所处物理环境为何,它对每个人都一样。在其狭义相对论中,爱因斯坦倡议,我们测到的两个事件的时间间隔,会取决于观察者如何运动。重要的一点是,做不同运动的两位观察者感受同样两个事件,这两事件间流逝的时间并不相同。  

    四度空间/时光机[“时间旅行”机器] 编辑

    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。

    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。

    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。 [1] 

    宇宙弦/时光机[“时间旅行”机器] 编辑

    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。 [2] 

    难成现实/时光机[“时间旅行”机器] 编辑

    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。 [2] 

    时光隧道/时光机[“时间旅行”机器] 编辑

    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、《多维空间》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。” [2] 

    建造虫洞/时光机[“时间旅行”机器] 编辑

    1.寻找或制造一个虫洞:这是连接空间中两地点的一种隧道。大的虫洞也许自然存在于太空深处,是大爆炸的遗迹。要不然我们就只好拿次原子虫洞来充数。它们可能自然存在(有人说它们就在你我周遭不断冒出又消失),或是人造的(譬如此处所想像,由粒子加速器制造)。这些小虫洞必须放大到有用的大小,譬如用上类似大爆炸后让空间膨胀的能量场。

    2.使虫洞稳定:注入负能量,譬如利用开斯米效应(Casimir effect)等量子方式,使讯号或物体得以安全穿越虫洞。虫洞倾向於挤压成一个密度无穷大或近乎无穷大的点,而负能量可对抗这个趋势;换言之,它会避免虫洞变成黑洞。

    3.拖曳虫洞:假设有一艘具有高度先进科技的太空船,会将虫洞的两个口分开。其中一个开口或许可置放於中子星表面附近。中子星是极度致密、有强大重力场的星球,此强重力场会使时间过得慢多了。由于时间在虫洞的另一开口处过得较快,此两开口便在空间及时间上都被分开来了。 [3] 

    未来可能/时光机[“时间旅行”机器] 编辑

    速度是让时间往前跳的一个办法,而重力是另一个办法。在爱因斯坦的广义相对论中,他预言了重力会让时间变慢。时钟在阁楼上会比在地下室中走得稍快些,因为地下室较接近地心,所以是在比较强的重力场中。同理,时钟在太空中跑得比在地面上快。再一次地,该效应是极其微小的,但我们已运用准确的时钟直接测量到了。事实上,这些时间扭曲效应在全球定位系统中都必须计入,否则水手、计程车司机及巡弋飞弹会发现自己竟偏离路线许多公里。

    在中子星表面,重力场强到会让时间比地球时间延迟了30%。从这种星球看到我们这里发生的事件,就像把录影带往前快转一样。黑洞更是时间扭曲的极端范例:在它的表面上,时间相对于地球而言是静止不动的,这表示如果你从黑洞旁边掉进去的话,则在你到达表面的那一小段时间内,外面的宇宙就已经历了沧海桑田的永恒。所以自外界看来,黑洞附近的区域简直是时间的化外之地,因此,如果有位太空人可以贴近黑洞再折回而毫发无伤的话(我得说,这是很唐吉诃德式的英勇举动),那他应可跃入远远的未来。 [4] 

    光速飞行/时光机[“时间旅行”机器] 编辑

    严格来说光速是世界上最快的速度,但人类根本没办法达到光速,科学界断言人类现有的飞行器想达到光速除非同时燃烧地球上所有的能量。

    换句话说人类能理解的推理无非是物质反作用推进力,然而这是自然界最落后,利用效率最低的办法。也就是说人类想实现光速旅行和时光机的发明就得找到另一种外引力方式,而想要实现这点,是难上加难!

    相关效应/时光机[“时间旅行”机器] 编辑

    如果一个钟,以0.5倍声速从原点远去,我们会听到什么现象呢?

    一秒钟时,它距离原点0.5声秒距离报1秒,但这个事件我们在原点听见,需要再过0.5秒,于是我们发现,在本地钟1.5秒时,远处的钟报1秒,本地钟3秒时,远离的钟报2秒,也就是我们在忽略测量时间时,误以为远去的钟慢了。而且速度越快,钟慢得越厉害。超过声速我们将追上钟以前发出的声音,也就是先听到钟敲3下,报3点,再听到钟敲2下,报2点,然后听到钟敲1下,报1点,这就是超过声速时间倒流现象!

    钟慢、尺缩、时间倒流现象,都可以用声音试验做出类似效果,被称为多普勒效应。

    然而,尽管看起来相似,多普勒效应和相对论有以下几点区别:

    1.公式不同。观测者相对于介质静止时,多普勒效应的“钟慢”(或“钟快”)公式为△t=△t0 (u+v)/u ,其中v为声源相对于观测者的远离速度,接近时v取负号,△t和△t0分别表示观测者听到的时间和原有的时间,u表示声速。而相对论中惯性参考系的公式为△t=△t0/sqr(1-v^2/c^2),△t0为原有的时间,v为光源相对于观测者的远离速度,c为光速。

    2.△t的含义不同。在相对论中,△t的含义是首先先在观测者所在参考系中的不同点校对时间以使时钟同步。然后光源到哪里,就用哪里的时间。换句话说,光源到达A地方这个事件和到达B地方事件的时间间隔△t是指在观测者所在参考系中A地方和B地方的时钟所记录的事件的发生时间的差。而在声音实验中,△t的含义是声音传到观测者处的时间间隔。若在声音实验中采取相对论△t的含义,将得到△t=△t0 ;若在相对论中采取声音实验△t的含义,将得到光的多普勒效应公式△t=△t0/sqr[(1+v/c)/(1-v/c)]。

    3.多普勒效应中远离观测者时出现“钟慢尺缩”,接近观测者时出现“钟快尺涨”,这对应于公式中v的正负号问题,而相对论无论接近还是远离都是钟慢尺缩,这对应于永远非负的v平方项。如果双生子中的一个以近光速往返,那么他(她)就会变得年轻,这里的年轻是从细胞到记忆各个年龄指标的全面的内在的年轻。而如果只是以近声速往返,那么接近和远离的多普勒效应刚好抵消,两人年龄一致,只不过远离时听起来时间过得更慢,返回时时间听起来过得更快罢了。

    4.在声速实验中可以出现超声速,其后果是简单的表象的“时间倒流”,就像你可以录音后随意地倒放录音一样,不会发生奇异现象,这对应于△t成为负数。但如果出现超光速,直接套公式后会出现负数开根号的问题,洛伦兹变换直接崩溃,这也是内在和外在区别的一个体现。相对论E=mc^2=m0c^2/sqr(1-v^2/c^2)表明需要无限的能量因而不可能把静止质量为正的物体增加到光速,这反对了超光速时光机的出现。然而,在量子力学里,一只猫可以既死既活,因果关系等都需要重新理解,与相对论结合后才有可能支持时光机。与之相关的讨论,科学界尚未达成共识,有待科学家研究。

    逻辑疑问/时光机[“时间旅行”机器] 编辑

    十多年前,霍金曾经问过这样一个问题:假如时间旅行是可能的,为什么在我们周围至今尚未充斥着来自未来世界的时间旅行者呢?这个问题的潜台词是:时间旅行者没有来到我们周围,最有可能的原因是时间旅行在整个时间长河中——也就是永远——都没有实现过。当然,霍金并没有把这样的问题当作是对时间机器的一个认真的理论诘难。不过,他的这个问题还是引起了一些物理学家的思考,并且他们找到了一种可能的回答:即我们目前所知的有可能实现时间旅行的理论模型,有一个很可能具有普适性的共同特点,那就是不允许时间旅行者回到时间机器存在之前的年代。因此,假如公元2500年有人建造出了时间机器,那么时间旅行者只能访问公元2500年之后的年代,他们永远无法来到我们周围,更无法像一些科幻小说描绘的那样,回到史前时代去捕捉恐龙——那些历史已经或将要无可挽回地被时间长河所吞没,就像美国物理学家格林(BrianGreene)所说的:在时间机器建造成功之前的每一个年代,都将成为我们以及我们的子孙后代永远无法触及的历史。

    从这个意义上讲,如果时间旅行是可能的话,早一天建造出时间机器就是多拯救一天历史。  

    对于这个问题,理论物理学家加来道雄则认为,蚂蚁和现代人之间的距离就像现代人和可以操控普朗克能量的文明之间的距离一样(普朗克能量是探测非常小的距离以及操控时间机器所需要的能量,远大于我们目前可操控的能量)。因此,时间旅行者即使真的存在,也并不一定会主动接触现代人。 [5] 

    相对论/时光机[“时间旅行”机器] 编辑

    1905年,爱因斯坦在他的相对论中说:时间是相对的,当我们以接近或超过光速的运动的时候,时间会很慢或静止,也就是说,如果一个人以接近光速旅行,那么时间对他来说就会停滞,这太令人振奋了,当人乘坐接近光速的飞船去旅行,在旅行的过程中时间就会变慢,因此,当他再回到地球的时候就可能已经过了一个世纪。对他来说,只要花很少的时间就能进入未来世界。 [6] 

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    参考资料
    [1]^引用日期:2015-09-02
    [2]^引用日期:2015-09-02
    [3]^引用日期:2015-09-02
    [4]^引用日期:2015-09-02
    [5]^引用日期:2018-12-12
    [6]^引用日期:2015-09-02
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