打假穿越剧,物理学告诉你:为什么我们不能穿越时空回到过去?

新智元·2021-12-13 14:15
为什么不能时光旅行?

科学总是给一些幻想打上不可能的标签。穿越时空大概是所有人最想做的事了,到过去见一见思念的人,到未来看看自己过的怎样。但广义相对论提出已经一百多年了,为什么时光机还没造出来!

怀旧空吟闻笛赋,到乡翻似烂柯人。

「烂柯人」讲的是晋朝一个叫王质的人上山砍柴,就看了一会别人下象棋,发现斧子已经烂了,回到家竟已过了数百年,和他同一时代的人都不在了。

但这个神话故事存在很多疑点,数百年的时光去哪了?王质进入了时空虫洞吗?要是再多看一会下棋,岂不是都穿越到2021年了?天上一天,地上一年有科学道理吗?

不少人也是在烂柯人的故事中感慨和幻想着「时空穿越」。

好消息是,爱因斯坦的相对论提供了一种穿越时空理论上的可能性,只需要超越光速或者进入能够扭曲时间的黑洞中,就能够穿越时空。

当然了,能否实现是工程上的问题,并非理论物理学家要解决的问题。

坏消息是,时间维度和空间的三个维度实际上是混合在一起的,虽然我们在空间中可以前进和后退,但时间维度上却无法倒流,这也是宇宙的规则。每当我们想要制造一台时光旅行机器,宇宙就会毫不留情的给你加一条规则。

想超光速进行时间旅行?不好意思,宇宙内不能超越光速。

时空旅行根本不可能?

关于时空旅行的辩论,从物理学一直打到了哲学。

法国科幻小说作家René Barjavel在1943年时提出了著名的「祖父悖论」

假如你回到过去,在自己父亲出生前把自己的祖父杀死,那么此举动会产生一矛盾的情况:你回到过去杀了你年轻的祖父,祖父死了就没有父亲,没有父亲也不会有你,那么是谁杀了祖父呢?或者你的存在表示,祖父没有因你而死,那你又怎么杀死祖父?

但物理学家对此表示,如果现有理论解释不了,我就再来一个,于是「平行宇宙」出现了。

当你回到过去杀你的祖父时,你杀的其实是另一个宇宙的人,或者你的这个举动也可以创造一个新的平行宇宙,而祖父的死只会使那个平行宇宙的人不再存在,而这个平行宇宙的人则平安无事。

还有一种解释是,也许能够进行时空旅行,但你所能做的事实际上受到宇宙的限制,过去的事发生后无法再变,你不能杀死祖父,但你「扮演」一个陌生人给你的祖父和祖母安排一场相亲还是没问题的!

也有哲学家认为,是否时间这个概念只存在于人类意识中,只是用来同步人类感官的一种形式。也许错在我们,把这种主观概念强加给了宇宙,那关于时间的研究也就没什么意义了。

广义相对论带来希望

爱因斯坦于1916年在广义相对论(General Relativity)中首次将引力场解释成时空的弯曲。把宇宙想象成一个「大床垫」,上面的球越重,产生的凹陷越大,附近的球向他滚动的也越快,看起来就像是被吸引过去一样。除了空间维度外,床垫上的凹陷也会扭曲球附近的时间。

也就是说,有了广义相对论,我们就能知道床垫的凹陷程度,根据凹陷程度,我们又能知道床垫上的球如何运动。

为了造出时光机器,物理学家们又提出封闭类时曲线(Closed Time-like Curve, CTC)的概念,试图找到一条物质粒子在四维时空中的封闭运动轨迹。

也就是说,如果存在一条轨迹,能够让粒子在时空中走了一圈后又回到了原点,并且在整个过程中粒子的速度都没有超过光速的话(也没法超过光速),不就完成穿越时空了吗,时光机不就造出来了吗!

过去几十年科学家们一直在尝试解决时间旅行的问题,并且最诡异的是,CTC竟然在理论上是真实存在的!

著名数学家哥德尔发现,如果一个宇宙中充满了缓慢旋转的均匀尘埃(uniform dust),由于转动产生的离心力和引力相互抵消,我们能够在宇宙中找到缠绕在自己过去时间的轨道,这样的宇宙也称为哥德尔旋转宇宙。

于1916年首次提出的虫洞(wormhole)也能够充当时间机器。理论上来说,虫洞是连结两个遥远时空的空间隧道,由星体旋转和引力共同作用下产生的,虽然虫洞无处不在但却转瞬即逝。迄今为止,科学家们还没有观察到虫洞存在的证据。

1974年物理学家弗兰克进一步研究发现,如果存在一个无限长的圆柱体,当圆柱体旋转到接近光速的时候,它的外部时空已经是一个CTC了,如果沿着这个柱子走一圈就会发现自己又回到了原点,还会遇到另一个刚开始准备绕圈的自己。这个柱体也称为提普勒柱体。

黑洞的内部也是一个相当神奇的地方,同时存在极强的离心力和引力,也有可能产生CTC。

理论存在,实践开始!(误)

在广义相对论的框架下,还有更多CTC的解被研究出来,一次又一次的证明时间机器存在的可能性,但这些解都有着极其特殊的要求,特殊到真实世界中根本达不到要求!

随着物理学的进一步发展,在宇宙微波背景的观察下,我们只能绝望的宣布,宇宙并不是旋转,无限长的圆柱体并不存在,黑洞的内部出现了奇点(singularities,常用的物理学定律在奇点上统统失效),虫洞的不稳定性甚至无法承受一个光子的通过。

既然造时光机这么难,那我证明造不了时光机不就行了?

巧的就是,类似于上面的CTC的各种解,物理学家们总能在广义相对论中找到能够进行时间旅行的证据,但每次又能在这些方法中找到一些无法达成的条件,似乎上 帝还没有决定好是否给人类开放「时间旅行」的权限?

由于在CTC的研究上没有取得任何进展,研究人员需要换一种思路来解释「为什么时间箭头只能向前」?

物理学家的第一反应就是研究基础粒子啊!但越研究就越困惑,微观粒子的相互作用竟然都具有「时间反演对称性」,也就是说一个粒子的运动过程不管是正着看还是反着看都是一样的。

就像手里拿着一个苹果向上抛,以抛作为起始节点,以接住为终止节点录了一段视频的话,就算视频是倒放的,我们也看不出来。

当然,宏观上是不存在时间反演对称性的。

由于热力学第二定律,所有孤立系统都会朝着最大熵状态进行演化,也就是说不管在宏观上做什么,只要有温度,微观粒子就在不停地运动,消耗能量,从而导致系统的熵(混乱程度)随着时间的一直在不断增大,两个系统之间无法进行反演。

有人在屋子里嗦了个粉,渐渐地屋子里都是螺蛳粉的味道,在屋子内所有的空气分子都在不停地运动,熵逐渐增大且不可逆,但空气中的分子间碰撞却是时间对称的。

热力学的箭头和时间的箭头好像突然一致了起来,所以熵就是时间?人类一直以为的时间概念只不过是熵增的一个过程?为什么宇宙是熵增的?

目前我们还没有观察到违反热力学第二定律的现象,但热力学对时间的解释只是「描述了时间不可逆这个现象」,并没有解释「时间是怎样产生的」。

虽然熵的概念在十八世纪中叶就提出来了,但目前也还没有人证明时间的推移和熵增之间的明确关联,物理学家们还在各种各样的概念中寻找灵感去解释时间,未来也许真的能制造出一个无限长的圆柱体、或者制造一个虫洞来进行时间旅行?

至少宇宙还没有明令禁止时间旅行!

关于「穿越时空」的讨论总是让人兴奋,但小编能做的只是坐等时光机的出现。

参考资料

https://arstechnica.com/science/2021/11/why-the-expletive-cant-we-travel-back-in-time/

本文来自微信公众号“新智元”(ID:AI_era),作者:LRS,36氪经授权发布。

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