“秘境追蹤”之“終極幻想”：時(shí)空之旅

2003年9月，《牛頓科學(xué)世界》以“時(shí)間機(jī)器何時(shí)起程”為題，報(bào)道澳大利亞物理學(xué)家保羅·戴維斯提出的時(shí)間機(jī)器制造方法。

2004年4月20日，美國(guó)宇航局將一顆名叫“引力探測(cè)-B”的科學(xué)衛(wèi)星發(fā)射上天，用以驗(yàn)證愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論中所預(yù)言的時(shí)空扭曲是否真的存在。“引力探測(cè)-B”研發(fā)歷時(shí)45年，耗資7億美元，在距地面640公里的地球極地軌道飛行20個(gè)月。

“引力探測(cè)-B”會(huì)給愛(ài)因斯坦的理論再添一塊基石，還是將從根本上改變我們對(duì)宇宙及時(shí)空的認(rèn)識(shí)？

時(shí)間機(jī)器

□當(dāng)人們開(kāi)始科學(xué)地觀測(cè)宇宙時(shí)，天文學(xué)家告訴我們：宇宙之大我們幾乎無(wú)法想像。

銀河系中像太陽(yáng)一樣的恒星約有2000億顆，而宇宙中的星系，人類(lèi)目前能觀測(cè)到的大概為500億到1000億個(gè)。

專(zhuān)家認(rèn)為，如果想遨游宇宙，靠目前的航天手段，甚至我們能夠想像的航天手段都是不可能的，只能靠時(shí)空旅行。因?yàn)榧幢愫教炱魈崴俚浇咏馑伲氲诫x銀河系最近的仙女座星系，也要走230萬(wàn)年。

1997年，根據(jù)美國(guó)天文物理學(xué)家卡爾·薩根的科幻作品改編的電影《接觸未來(lái)》被搬上銀幕。

薩根講述了一個(gè)人類(lèi)與外星人接觸的故事。外星文明通過(guò)無(wú)線電傳授給地球人一種制造時(shí)間機(jī)器的方法，以在地球與天琴座α星之間建立通道。影片中，女主人公乘坐時(shí)間機(jī)器，飛速進(jìn)入一條五彩斑斕的隧道中，來(lái)到天琴座α星。

天琴座α星即織女星，從地球到織女星以光速要走26年。而電影里所描述的旅程只有1秒鐘，這就是利用了時(shí)空旅行的手段。

時(shí)間機(jī)器最早出現(xiàn)在1895年威爾斯的小說(shuō)《時(shí)間機(jī)器》里，那時(shí)的設(shè)想只是作者的幻想。但10年后狹義相對(duì)論問(wèn)世，又10年后廣義相對(duì)論問(wèn)世，這一設(shè)想開(kāi)始有了一定的物理學(xué)根據(jù)。

狹義相對(duì)論

□100年前，愛(ài)因斯坦提出狹義相對(duì)論，并推斷：如果人以接近光速旅行，那么時(shí)間對(duì)他來(lái)說(shuō)就會(huì)停滯。

從古希臘甚至更早，人們就對(duì)時(shí)間進(jìn)行了很多思考，但真正從科學(xué)上把時(shí)間和空間聯(lián)系在一起，并提出一種時(shí)空理論，還是從1905年愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論開(kāi)始。

他首次提出，時(shí)間和空間不是彼此無(wú)關(guān)的。狹義相對(duì)論的核心是光速恒定。所有運(yùn)動(dòng)，甚至?xí)r間本身都必須與之相對(duì)應(yīng)，由此愛(ài)因斯坦首次提出時(shí)間是相對(duì)的。

時(shí)間機(jī)器

假設(shè)保羅正以光速的一半前進(jìn)，奇妙的事情出現(xiàn)了，保羅前面的光波被壓縮，他的影像變成藍(lán)色，同時(shí)，保羅在運(yùn)動(dòng)方向中還會(huì)變瘦，這并不是視覺(jué)錯(cuò)誤，接近光速時(shí)真會(huì)這樣。當(dāng)保羅駕摩托車(chē)向郊外駛?cè)ィ吹降囊磺卸級(jí)嚎s到前方的小洞中去，減速時(shí)又一切恢復(fù)正常。接近光速還會(huì)有最奇特的現(xiàn)象，就是時(shí)間減慢。若我們以接近光速的速度前進(jìn)，衰老的速度會(huì)比正常人緩慢。保羅感覺(jué)僅離開(kāi)了幾分鐘，但在朋友眼中卻已過(guò)了幾十年。

時(shí)間變慢

1971年，愛(ài)因斯坦在理論上的假想被科學(xué)家證實(shí)了。

1971年，物理學(xué)家理查德·基廷和喬伊·哈夫勒將4個(gè)極為精確的原子鐘放在一架航行的飛機(jī)上。飛行之后，這些原子鐘與地面的原子鐘相比，的確慢了59納秒。

這一實(shí)驗(yàn)不僅證明狹義相對(duì)論完全正確，也說(shuō)明人們通過(guò)坐飛機(jī)來(lái)長(zhǎng)壽，理論上是可行的，只是效果太微弱了。因?yàn)閾?jù)計(jì)算，如果一個(gè)人一年都在飛機(jī)上飛行，他可以賺得5微秒。假設(shè)他活了80歲，從出生就在飛機(jī)上這樣生活，當(dāng)80歲死去時(shí)一共可以賺得400微秒，即0.0004秒。80年的飛行才賺得連一眨眼都不到的時(shí)間，實(shí)在是有點(diǎn)得不償失。

但在粒子加速器里，狹義相對(duì)論所預(yù)言的時(shí)間膨脹效應(yīng)就不那么微弱了。在美國(guó)有長(zhǎng)達(dá)40公里的粒子加速器，當(dāng)次原子粒子穿越這個(gè)巨大裝置時(shí)，它們可以被加速到光速的90%以上。在這樣的速度下，時(shí)間變化十分明顯。疾馳的粒子質(zhì)量增加了，而在正常情況下壽命很短的粒子存在時(shí)間也大大增長(zhǎng)。

回到未來(lái)

□表現(xiàn)時(shí)空旅行的科幻電影和小說(shuō)層出不窮，大多對(duì)時(shí)間機(jī)器如何制造一筆帶過(guò)。

但也有例外，如科幻喜劇《回到未來(lái)》可以說(shuō)是時(shí)間機(jī)器制造大全。故事講述高中生馬丁和布朗博士是忘年交，博士為制造時(shí)間機(jī)器，偷了核原料作動(dòng)力。就在實(shí)驗(yàn)時(shí)間機(jī)器時(shí)，博士不幸被恐怖分子殺害，而馬丁則在逃命時(shí)駕著時(shí)間機(jī)器從1985年誤回到1955年。由于時(shí)間機(jī)器損壞，馬丁只好向30年前的博士求助，博士用閃電的能量把馬丁送回1985年。

《回到未來(lái)》第三集中，博士和馬丁在1885年重逢，決定使用火車(chē)頭推動(dòng)時(shí)間機(jī)器，他們又成功了，不過(guò)這在物理原理上是不可能的，因?yàn)榘椽M義相對(duì)論，你不可能超過(guò)光速，提供再大能量也只能接近光速。如果把10噸重的物體加速到光速的99.9%，需要100億億焦耳的能量，相當(dāng)于世界上幾個(gè)月所耗能量總和！無(wú)法超越光速，意味著沒(méi)辦法回到過(guò)去。關(guān)于時(shí)空旅行的理論依據(jù)，要在廣義相對(duì)論的時(shí)候才出現(xiàn)。

蟲(chóng)洞理論

廣義相對(duì)論提供了蟲(chóng)洞理論，蟲(chóng)洞是溝通宇宙之間的細(xì)長(zhǎng)時(shí)空管道。

1915年，愛(ài)因斯坦更為深?yuàn)W的廣義相對(duì)論問(wèn)世，把引力、空間、時(shí)間這幾者聯(lián)系起來(lái)，預(yù)言引力會(huì)使時(shí)空發(fā)生彎曲。

1919年，人們通過(guò)觀察日食發(fā)生時(shí)星光的變化，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)引力的確會(huì)使星體光線發(fā)生彎曲。

對(duì)于時(shí)空旅行來(lái)說(shuō)，廣義相對(duì)論出現(xiàn)后產(chǎn)生的最重要影響就是提供了允許回到過(guò)去的蟲(chóng)洞理論。蟲(chóng)洞其實(shí)只是一個(gè)數(shù)學(xué)模型，關(guān)于它的各種設(shè)想都被視為是對(duì)愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程的不同解答。

1935年，愛(ài)因斯坦和羅森在論文中根據(jù)場(chǎng)方程推出的通道，被稱(chēng)為愛(ài)因斯坦-羅森橋。在論文里這座橋是無(wú)法通過(guò)的，當(dāng)飛船想通過(guò)橋時(shí)，橋就會(huì)斷裂。

但1949年，奧地利數(shù)學(xué)家戈德?tīng)柾ㄟ^(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在某些特定情況下，橋不會(huì)斷裂，廣義相對(duì)論是允許人們可以回到過(guò)去的，這令?lèi)?ài)因斯坦非常吃驚。

祖母悖論

然而，如果我們能夠回到過(guò)去，就可能破壞因果律。

物理學(xué)家最早設(shè)想的例子就是祖母悖論：說(shuō)你如果回到過(guò)去遇見(jiàn)祖母，不慎害死了她，你就無(wú)法出生了。既然你不能出生，又怎么可能害死祖母呢？這樣就構(gòu)成一個(gè)悖論。