從物理學角度分析時空穿越的可能性

解潤宇

【摘 要】時空觀是關于時間和空間的看法和觀點，是自然觀的重要組成部分。由牛頓經典力學體系衍生出的絕對時空觀使人們認識到世間一切皆在做機械運動。20世紀初相對論橫空出世，從根本上改變了人們對時空的看法：時間、空間和物質是緊密聯系、密不可分。但是時間和空間能像科幻小說里那樣做到隨意穿越嗎？本文就時空穿越在現實生活中的可能性簡要分析。

【關鍵詞】相對論；、時空觀；時空穿越

時空穿越到底存不存在呢，提到這個想法，我聯想到幾年前的一部美國大片《星際穿越》，我們來簡單地討論一下這部電影中關于時空穿越的理論意義和可行性，這個電影里面提到的幾個物理概念，黑洞、蟲洞、時光機器等，我們先對這些名詞做一下解釋。

黑洞是空間中有著強大引力的超高密度的天體，黑洞的特點就是有進無出。另外，因為沒有光從黑洞逃出，故無法直接觀測黑洞，但是從物體被黑洞吸入之前放出的紫外線、X射線等邊緣信息可以知道黑洞的存在。

蟲洞這一概念，最早是1916年由奧地利物理學家路德維希·弗萊姆首次提出的，1930年由愛因斯坦及納森·羅森在研究引力場方程時假設的，認為透過蟲洞可以做瞬時的空間轉移或者做時間旅行。

關于蟲洞存在著幾種說法：一是蟲洞是宇宙中相距遙遠的兩點間的一條捷徑，就像一個蘋果，蟲子沿著蘋果表面會走很遠，可是如果蟲子挖洞從蘋果里面走就近多了，顧明思議，蟲子為了抄近路而在蘋果里挖的洞。二是蟲洞是連接黑洞和白洞或黑洞與黑洞的管道，故在黑洞里能找到蟲洞。

時光機器，簡單點說就是能不受時間和空間的限制，在任意的時間地點，躍遷式地到達另外的時間地點。

而《星際穿越》這部電影里講述了一隊探險家利用他們針對蟲洞的新發現，超越人類對于太空旅行的極限，從而開始在廣袤的宇宙中進行星際航行的故事。

有人覺得時空穿越只是科幻電影小說里面的情節，在現實世界中可能實現嗎？本文就時空穿越在現實生活中的可能性簡要分析。

在物理學上，提到對時間和空間的研究，不得不提的兩位科學家：牛頓和愛因斯坦。

在牛頓的時空觀主要包含這兩個方面：

1、同時性是絕對的

同時性指在不同地方發生的兩件事情，對于任何慣性參照系來說它們必定是同時發生的，它是絕對并且無條件的。因此，兩個鐘表不管把它們放在任何地方，無論它們是否產生相對運動，鐘表總是同步的。由此看來，牛頓的絕對時空觀似乎是符合我們的生活常識。

2、時間是絕對的，空間也是絕對的

按照牛頓絕對時間和絕對空間的觀點，時間和空間各不相關，而且時間和空間是脫離物質運動而存在的，即時間和空間只是單獨的存在，這種存在不受周圍任何事物的影響。[1]

牛頓的絕對時間觀和絕對空間觀是符合我們的生活經驗的，并且適用于當時的科學實驗，因而人們很容易理解和接受這種觀點。在19世紀末，麥克斯韋電磁理論的發展起來，用牛頓的絕對時空觀解釋在微觀高速下的運動的物體時出現其局限性，它無法解釋微觀高速運動的物體。正是在這種背景下，發生了現代物理學革命，相對論出現在人們眼前。愛因斯坦相對論革新了牛頓的時空理論，創建了新的時空學說。

愛因斯坦相對論對時空觀點的革新包括以下幾個方面：

1、同時性是相對的

依照光速不變原理，狹義相對論認為不同地方的兩件事情，在某個慣性參照系中來看，它們是同時發生的，然而相對于這個慣性參照系運動的其它任何慣性參照系來看，它們就不是同時發生的。因而同時性是相對的，時間與物質運動有關。

2、時間是相對的，空間也是相對的

與牛頓的時空理論不同，愛因斯坦狹義相對論的時空觀認為時間間隔是相對的，最能說明這一點的便是大家熟知鐘慢。它主要說的是對于每一位觀察者來說，都有他們自己的時間測度，這就反映了時間是相對的。空間也不是牛頓時空理論中所認為的那樣是絕對的，空間也是相對的，尺縮效應中長度的相對性就證明了空間是相對的。

但是這些效應又是很難被日常生活中的我們所理解的，因為這些效應都是在速度接近光速的高速運動過程中產生的，而我們通常無法感知。

3.時間和空間是緊密相聯的，并且與物質運動密不可分

在牛頓絕對時空觀中，時間均勻流逝，空間則是個與任何事物無關的、靜止不動的容器。而愛因斯坦狹義相對論的時空學說認為時間和空間不能各自獨立存在，時間與空間是緊密聯系的。一個物體的長寬高表明它的空間，可卻是以時間為尺度的，時間是物質運動的連續，空間則是物質運動的延伸。離開物質運動而獨立存在的時間和空間是毫無意義的。[3]

相對論顛覆了人類對宇宙和自然的常識性觀念，提出了“時間和空間的相對性”、“彎曲空間”等全新的概念，那么時空旅行是否存在可能呢？

很多文獻中提到旅行到未來[4]是有可能的，相對論顯示，當你坐在一個時間機器里，它發射升空，加速到接近于光速后飛行一段時間，然后返回。基于相對論中時空相關性的原理，在你走出時間機器后，地球流過的時間比你在飛船里度過的時間更為長久。因此從你的眼光看來，你旅行到了未來，即在慣性參考系中動鐘變慢，也就是鐘慢效應。我們假設，有一個十米的加速走廊，進去之后速度會趨近于光速，那么當走進這個走廊后，其中的時間就相對外界的變很慢了，于是就出現了內部所感知到外部的未來時間了。

根據經典力學，以地球作為一個基點，距離地心的距離越近，時間受到的引力越大，那么時間彎曲程度越大，流逝的速度越慢；當時間機器遠離地球，受到的地球的引力越小，時間受到的引力也越小，流逝的速度要加快，按照這樣解釋，這個旅行者當他返回的時候，已經回到了過去。所以這種解釋是矛盾的。

那么，時空逆旅行是如何實現呢，科學家提出必須進行超光速[5]運行，但是相對論和目前的實驗告訴我們，粒子可以加速到無限趨近與光速，但無論如何是達不到光速的。因為只有打破光速壁壘，在超光速成為可能的時候，才有可能實現逆時旅行，也就是回到過去。這似乎已經告訴我們，逆時旅行是不可能的。

但科學家們，又考慮到通過蟲洞，來實現逆時旅行。[6]在蟲洞理論中，由一個宇宙可能產生另一個宇宙，而且宇宙中也有可能有無數個這種微細的洞穴，它們可通往一個宇宙的過去及未來，或其他的宇宙。由此就實現了逆時的旅行。同時通過蟲洞，能夠一瞬間就能到達宇宙中另外的很遙遠的地方，這就是所說的空間穿越。[7]

但是在許多研究和相關理論證明中發現蟲洞結構極其不穩定，而且穿越者很難承受其中的輻射、引力等，所以通過蟲洞進行時空旅行存在理論可能，但現實是很難實現的。

總而言之，目前越來越多的實驗和現象表明，時空穿越理論上可能是能夠實現，但在實際中，不管是穿越蟲洞的苛刻條件、是逆時穿越的可能性、未來世界的不可預見性和因果律都很難被證明。以上就是我對時空穿越問題的一些看法。

【參考文獻】

[1]王瑞、陳新亮.對愛因斯坦相對論變革時空觀的思考

[2]鄭慶璋，崔世治.相對論與時空 [M].山西： 山西科學技術出版社，2005.21.

[3]王鴻生. 科學技術史 [M] . 北京： 中國人民大學出版社，2011. 208.

[4]楊波. 時間旅行[ J] . 中國科技縱橫， 2003， 11： 106-112

[5]劉天宇. “駕駛” 地球逃跑[ J] .大科技、科學之謎， 2008， 10： 55

[6]李林、單長吉、潘夢鵠.蟲洞理論與時空穿越的問題探討 （ 2011） 04 -0033-02

[7]梁子.天下奧秘 物理教學探討