李淼
你可能覺得相對論是一個老掉牙的問題,確實,愛因斯坦建立狹義相對論距今已經有114年了,他建立廣義相對論距今也有104年了。那么,為什么還要談?因為我看了一篇科幻小說,并沒有選擇遵循相對論。
當然,按照著名科幻作家劉慈欣的看法,科幻不是科普,并不一定要遵循現有的物理學法則。科幻作家本人很清楚這一點,但是,讀者未必了解這一點,有時不免被科幻作家帶偏。那么,這篇科幻小說是怎么違反相對論的呢?小說寫到,在未來,人可以選擇回到過去,也就是乘坐時光機器。這一點,相對論不置可否。如果存在負能量,原則上我們可以制造蟲洞,蟲洞原則上可以將未來連接到過去,或者將現在連接到過去。比如,我現在進入這個蟲洞的入口,然后從出口出來,沒準我就回到了1900年。
沒有人見過負能量,因此,蟲洞是否存在還是一個懸而未決的事情。但那篇小說還寫到,假如我從現在回到過去,從過去的世界里拿點東西再回到現在,我就攜帶了巨大的能量回到現在。這一點,是和相對論矛盾的。在相對論里,回到過去懸而未決,但我們從現在走到將來是可以的。一個最簡單的方法就是啥也不做,比如我睡一覺,第二天起床,不是走到明天了嗎。當然,這里我們談的走到未來,不是這么簡單地走到未來,而是有點魔幻地走到未來。比如說,我最多活一百年,但是我想到一千年之后的未來看看,可以嗎?
在相對論里,回到過去懸而未決,但我們從現在走到將來是可以的。
相對論告訴我們,完全可以,但你需要巨大的能量。如果我們能夠造出一個可以近乎無限加速的火箭,就可以到一千年之后訪問一下,這就是著名的鐘慢效應。什么是鐘慢效應?比如,如果一只手機在飛行,原則上,它上面的石英鐘會變慢一點點,就像今天我坐飛機從廣州飛到北京,我攜帶的手機和留在北京沒有飛行的手機相比,走慢了一點點。當然,由于飛機的速度不夠快,這個效應幾乎看不出來,但飛行的手機其實是到了沒有飛行的手機的未來了。如果飛機的速度接近光速,那么,這個效應就很明顯了,比如,飛行的手機表示下午一點,而沒有飛行的手機表示是下午兩點,不過,飛機得繞地球很多圈才會有這個效應。這就引發了所謂的雙生子佯謬:對于飛行的手機來說,那個沒有飛行的手機也在飛啊,因為運動是相對的,為什么一個慢一個快?解決這個問題很簡單,飛行的那個手機經歷了起飛和降落的過程,在這個過程里,飛行的手機感受到了加速和減速,而那個留在北京不動的手機沒有經歷加速和減速,因此它就走得快一點。
以接近光速飛行,原則上,在我們的有生之年可以飛出銀河系。我們距離銀河系的邊緣有兩萬光年,也就是說,即使以光的速度飛到銀河系邊緣,也要花兩萬年,任何一個人不可能活上兩萬年。但鐘慢原理解決了這個問題。飛行的人,他的生理經過的時間,和飛行的鐘的物理時間是一致的。一只以接近光速飛行的鐘可以走得很慢很慢,因此,一個以接近光速飛行的人的生理時間走得也很慢很慢,這樣,他原則上可以在有生之年飛行到銀河系邊緣。
同樣的原理,一個人可以在有生之年從銀河系飛到另一個遙遠的星系,只要宇宙飛船以接近光速的速度飛行,甚至,他可以在有生之年飛行到宇宙的邊緣。
當然,你會問,宇宙有邊緣嗎?宇宙的邊緣是什么意思?這是另外一個有趣的物理問題了。