藍色情懷

到過去的時間中旅行


　　能到過去的時間中去旅行嗎？可能性有多大？如果因此有人謀殺了幼年的華盛頓，美國乃至世界近200年的歷史年表將被完全破壞，怎麼辦？讓我們慢慢說來。
 
　　令人迷惘的時間
 
　　時間是司空見慣的，也是最難捉摸的。不僅普通人對時間感到迷惘，也令科學家迷惘。

　　在現代自然科學誕生以前，除哲學家以外，自然科學家一般都迴避對時間的研究。人們對時間的感受是從主觀心理上得來的，那就是時間不斷向前流 逝，一去而不復返；它有無限的過去，也有無限的未來；時間是普遍的、絕對的；時間是宇宙中萬事萬物發生、發展的舞台背景，獨立於萬事萬物之外；宇宙中各處 的時間都是同步的；時間和空間是相互分離的。

　　現代自然科學有意無意地接觸到時間。牛頓在研究物體的運動速度和速度變化時，接觸到了時間，並首先給出了時間和空間的數學模型。在牛頓的數 學模型中，時間仍然是事件發生的背景，不受事件影響，而且獨立於空間，時間向兩端無限延伸，是無限的；愛因斯坦狹義相對論客觀上打破了絕對時間的觀念，因 為每個人都有自己的時間度量尺度，運動速度不同，所度量的時間不同，時間是彈性的，可以伸長和壓縮；廣義相對論把時間維和空間的三維合併成四維時空，時空 是彎曲的並難分難解地糾纏在一起，時空不再只是事件發生的背景，而是動力，是參與者；在量子力學中，時間可以創生。但無論是在牛頓力學、愛因斯坦相對論 中，還是在海森堡和薛丁格的量子力學中，時間方向無關緊要，在他們的方程中，時間向前向後都成立。1927年，英國天體物理學家愛丁頓首先提出「時間箭頭」的觀念，時間是有方向的。
 
  
　　你到時間中旅行過嗎
 
　　人人都在時間中旅行，時間有長有短，時序有先有後，其旅程，有的波瀾壯闊，有的平淡無奇。從1564年旅行到1642年的伽利略，旅程充滿著 革新和磨難；從1642年旅行到1727年的牛頓，旅程中豎立起里程碑式的成就；從1879年旅行到1955年的愛因斯坦，旅程中充滿著輝煌和自我矛盾； 從1942年開始時間旅行的史蒂芬·霍金，則充滿著智慧、艱辛和毅力。

　　但是，人們嚮往的時間旅行，絕不是這種屬於自己人生經歷中的時間旅行，就像在長城、故宮工作的人，在張家界、九寨溝生長的人不認為那是在旅行一樣。時間旅行是指超越時空，到未來的時空中去旅行；使時間倒流，到過去的時空中旅行。

　　早在1733年，一個叫塞繆爾·馬敦的人，就在名為《20世紀備忘錄》的科幻小說中提出了時間旅行的概念。

　　這裡，暫時不討論到未來的時間中去旅行，而集中討論到過去的時間中旅行的問題。

　　回到過去，看一看祖輩們生活的山河世界，會見夢想中的祖先，這多麼令人嚮往！回到過去，萬一有一個雜種作了攪亂歷史的蠢事，比如說幫助德、日 法西斯殺害別人的祖父和父親，並使法西斯贏得第二次世界大戰的勝利，那現時人類的狀況將是多麼悲慘！凡此種種，都需要我們對時間旅行給予關注，它是科幻還 是科學？在現時的科學水平上，時間旅行的可能性到底有多大？
 
  
　　廣義相對論的彎曲時空
 
　　有一種說法認為，超光速可以使時間倒流，如果乘坐超光速飛船飛行，就可以回到過去。但是，相對論指出，任何物體的運動速度不可能達到和超過光速，因為能量和質量等價，高速運動物體的動能使它的質量增加，當無限接近光速時，物體的質量趨向無限大，要使無限大的質量加速是不可能的。因此，相對論禁 止超光速。時間旅行必須在低於光速的速度下進行。
　　要在低於光速的速度下達到去過去時空旅行的目的，目前唯一可借助的是彎曲時空理論。因此，廣義相對論是時間旅行的基礎。

　　牛頓指出，物質具有引力。愛因斯坦則進一步指出，引力只不過是時空彎曲的表現。

　　宇宙中充滿物質，而物質使時空彎曲，彎曲時空使一些物質集中在一起，形成恆星等天體。這就像在一塊被繃緊的有彈性的布上，一塊較大的物質壓出一個較大的坑，結果使它周圍的小物質不斷落入它的坑中一樣。

　　如果找到或製造一個彎曲得足夠厲害的時空，就可以到過去的時間中旅行。因為在那裡你的飛船在出發之前，就可能已處在過去的時空中，你當然可以乘飛船在過去的時空中旅行了。
 
　　黑洞和蟲洞
 
  
　　使時空產生最大彎曲的是黑洞。我們知道，黑洞吞食包括光線在內的一切物質，那正是由於黑洞使時空向內彎曲得特別厲害，因而連光線都向內運動的結果。光線和其它物質不斷向內集中，形成物質密度和時空曲率都無限大的奇點，也就是時間和空間在黑洞奇點處終結。
　　一艘向黑洞靠近的飛船，其上的航天員以相同的時間間隔向我們發出聯絡信號，但我們收到聯絡信號的時間間隔卻越來越長，在飛船非常接近黑洞時， 時間幾乎凝滯，當我們再也收不到聯絡信號時，那就是飛船進入黑洞，聯絡信號也被黑洞吞食了。當飛船到達奇點時，可憐的航天員的時間結束了。
　　但是，理論研究證明，旋轉黑洞中心不是一個空間為零的奇點，而是一個奇異環。奇異環連著蟲洞，它是蟲洞的出入口。
　　蟲洞是物理學家約翰·惠勒首先提出來的，它是廣義相對論方程的一個解。現代著名物理學家羅傑·彭羅斯的研究表明，旋轉黑洞把無數個蟲洞連接在 時空的不同部分上。這樣，蟲洞就是連接不同時空區域的時空管道。如果找到一條連接過去時空的蟲洞，那麼，就可以通過它到過去的時空中去旅行了。
　　時間圈環和宇宙弦
　　那麼，蟲洞在哪裡？特別是，連接過去時空的蟲洞存在嗎？連接過去時空的蟲洞，必然是一條封閉的類時曲線，即一次又一次地返回出發點的時間圈環。
　　狹義相對論不允許時間旅行。包含引力、有彎曲時空的廣義相對論也行不通。但到1949年，著名哲學家庫爾特·哥德爾找到廣義相對論方程的一個數學解，發現一個充滿旋轉物質的轉動宇宙模型，在那裡，每一點都有時間圈環存在。
  
　　但是，哥德爾解需要一個宇宙常數。在當時，宇宙常數是否存在還不清楚。同時，哥德爾用可能發生「新生兒自謀殺」這種荒謬的事作為反證，證明回 到過去是不可能的。其他人也認為轉動宇宙模型與我們生活的宇宙沒有任何相似之處，因而只把哥德爾解作為廣義相對論方程的一個沒有物理意義的解。多數人都同 意牛津大學天文學家C·雷西的意見，「時間旅行在任何合理的宇宙模型中都是不容許的」，當然，必須在我們的宇宙中被排除。

　　可是，接著又找到其它不需要宇宙常數的解，其中一個是兩條宇宙弦相互快速穿越時空，就會形成時間圈環。
　　粒子理論暗示，宇宙弦是在宇宙早期階段產生的，它是具有微小截面的重物體，後來隨宇宙膨脹而伸展，現時的一根單獨宇宙弦，可以橫貫整個宇宙。
 
　　時間機器
 
　　斯蒂芬·霍金對此提出懷疑：「這種產生時間圈環的捲曲，一直延伸到空間的無窮處，並且回到時間的無限過去。這樣，這些時空是和在其中的時間旅行一同被創生的。我們沒有理由相信我們的宇宙是以這種捲曲的方式創生的，況且我們也沒有來自將來的訪客的可靠證據。」

　　在霍金看來，利用天然的時間圈環進行時間旅行的可能性不大。由此，霍金轉而提出：「某個先進的文明能建造時間機器，進行時間旅行嗎？」

　　1895年，英國人赫伯·喬治·威爾斯發表了名為《時間機器》的科幻小說。不過，那時相對論、黑洞和蟲洞等科學理論還沒有誕生，他的時間機器沒有物理學基礎。

　　80年代初，著名天文學家和科普作家卡爾·薩根，在寫科幻小說《接觸》時遇到一個難題，就是如何能迅速地與外星人接觸，他去向老朋友、加州理 工學院的基帕·索恩教授求教。索恩教授在1988年設想了一種時間機器，他是利用速度效應（速度增加，時間膨脹）和蟲洞理論，讓蟲洞一端的出入口以近光速 運動，然後減速，回到原來的地方。這樣，它與蟲洞另一端的出入口就產生了時間延遲，飛船如果以近光速的速度在兩個出入口之間飛行，就可以回到過去的時間中 去旅行。其實，索恩教授本人並不認同時間旅行。
  
　　索恩的時間機器需要蟲洞的出入口和飛船以近光速飛行，我們前面已經說到，這是難以做到的。我們討論的是以低速進行的時間旅行的時間機器。

　　那麼，如何建造這樣的時間機器呢？霍金在2000年出版的《果殼中的宇宙》一書中指出，需要負能量才能建造有限的時間機器。這實際上又回到了哥德爾解，因為哥德爾解需要的宇宙常數，即暗能量，其值正是負的。

　　我們知道，物質具有正能量。因而在充滿物質的時空中，要建造時間機器進行時間旅行是不可能的。但是，霍金認為，從他對黑洞輻射的研究中可以證明，出現能量為負的局部區域是可能的。

　　量子起伏和負能量

　　量子理論認為，在宇宙真空中也有能量起伏。這使虛粒子對可以從這種能量起伏中，用借貸能量的方法產生。這樣，在表觀上空虛的空間也充滿著虛粒子對。這些虛粒子對成員，一個具有正能量，一個具有負能量，其總能量是平衡的。

　　由於借貸來的能量需要馬上歸還，而且越快越好，才能再借不難。這就是虛粒子對同時出現，然後相互分開，再迅速相遇湮滅消失，將能量歸還。

　　在有黑洞存在的地方，帶有負能量的虛粒子對成員能夠進入黑洞，而帶有正能量的虛粒子對成員趁機逃之夭夭，而成為實粒子（組成物質的粒子）。這正是黑洞的輻射。黑洞因吸收帶負能量的虛粒子對成員而損失質量，使質量慢慢蒸發，黑洞視界逐漸縮小。

　　黑洞的輻射蒸發表明，在量子水平上，黑洞視界上的能量有時可以是負的。這時，彎曲時空不是使光線向內彎曲而集中，而是相互發散開去，即時空向建造時間機器需要的方向彎曲。

　　這樣，一個先進的文明，就有可能建造一艘飛船，使它的邊界上的能量是負的，就像黑洞的視界上具有負能量一樣。這艘飛船就是一部時間機器。憑藉這部時間機器，就可到過去的時間旅行了。
 
　　機率和危險
 
　　霍金認為，存在著粒子在時空中的一個閉合圈環上不斷循環的歷史，這雖然不能用粒子檢測器直接觀測到，但在許多實驗中已經測量到它們的間接效應。由此可見，時間旅行確實發生在微觀尺度上，但我們觀察不到。
  
　　量子理論雖然允許在微觀尺度上的時間旅行，但霍金分析指出，像人和飛船這樣的宏觀物體實現時間旅行的概率是很小的，因為在宏觀時空尺度上形成 時間圈環的概率極其微小。霍金估計，進行時間旅行的概率小於10-60。但霍金幽默地說，這不等於某個從未來的時間回來的雜種殺死其祖父可能性的微弱。或 許如此，一些科學家提出「自恰律」，用以對回到過去時間旅行的人進行約束；另一些科學家提出歷史年表保存（時序防衛）假說，主張物理定律應協同防止宏觀物體的時間旅行；更有一些科學家一聽說時間旅行就去拿槍。

　　當然，即使造出了時間機器，進行時間旅行也是很危險的。霍金指出，時間機器的邊界與黑洞的視界是有差別的。其中一個重要差別是，時間機器的 邊界上是不斷轉圈的閉合光線，其中的虛粒子會不斷重複地把能量帶回到同一點，這就使時間機器邊界上形成無限大的能量。在載人飛船或宇宙探測器穿過邊界，進 入時間機器時，會被那裡的輻射閃電所摧毀。

　　當然，先進文明可用高技術將在閉合圈環中運動的虛粒子驅逐一部分，使時間機器邊界上的能量變成有限的，以避免輻射閃電發生。但霍金仍然擔 心，這樣一來時間機器是否穩定。像蟲洞不穩定會瞬息閉合一樣，時間機器因飛船進入時的微小擾動，可能激活虛粒子的循環，從而引發輻射閃電。

　　霍金還指出，建立時間機器，不僅要考慮物質場的量子起伏，還應考慮時空場的量子起伏。由於我們還沒有完整的量子引力理論，還很難說清楚時空場的起伏效應是怎樣的，是否會給時間旅行帶來更大的不確定性？

　　這裡引申一句，這也給某些雜種企圖回到過去殺死別人的祖父和父親帶來更大的不確定性。

　　看來，時間旅行是渺茫的，至少在現時是渺茫的，每個人科學地把握好自己「現在」的時間才是最最重要的。