爱读书 探索 「闭合类时曲线 」是我们穿越时空回到过去的唯一路径

「闭合类时曲线 」是我们穿越时空回到过去的唯一路径

著者:黄媂 / 黄姤

时间穿越,在科学界还有一个名字称之为 「时间旅行」。这个问题不仅科学家经常思考,影视的编剧和导演更是偏爱,穿越题材是影视作品中的经典套路,类似摸电门、遭雷劈、头撞墙、高空坠落、十星连珠、月光宝盒等手段,都是较为脍炙人口的时间旅行方法,不过它们一点都不科学,在此还是建议青少年朋友不要轻易尝试摸电门、遭雷劈这种所谓的时间穿越方式。这篇文章主要是从科学的角度来聊一下——如何实现「时间旅行」。

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「时间旅行」可以实现吗?

这就要从时间来说了,爱因斯坦为了让人们更容易地理解相对论,曾经说了一段很著名的话,他说:

“一个男人和一个美女坐了一个小时,会觉得时间似乎只过了一刻钟。如果让他们坐在火炉上一刻钟,那么他们会觉得似乎过了不止一个小时。”

这就是相对论。

有时候,你会觉得时间过得非常快,明明心里觉得只有几分钟的事,一看表过去了几个小时。明明心里觉得过去了好久,一看表才过了几分钟。我们对时间的感知并不是时间真实的流动速度,只是一种心理学上的效应。爱因斯坦不愧为大师,他的这一句话似乎就能解释——什么是时间旅行!

当你明明经历了一个小时,而时钟却走了一分钟,就说明了你经历的一场时间旅行。时间旅行其实并不是什么高科技,也不需要昂贵的设备,其实每个人都能做到,甚至不需要出门,您在阅读我这篇文章的同时就可以完成。爱因斯坦的相对论告诉我们,时间和空间都是相对的,虽然我们采用统一的时间计时,手表里、手机里显示的都是北京时间,但这并不意味着我们每个人所经历的时间流逝速度是一样的,就像河流的流速会因为河道的窄和宽而时缓时急一样,在不同的地方时间流逝的速度也会因为运动以及引力而发生变化。

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根据狭义相对论,运动的物体时间会变慢。如果想要做时间旅行,你所要做的就是简单的一件事,站起来走两步,当你以每秒两米的速度在家里溜达5分钟后,恭喜你,你已经完成了时间旅行,你就会来到0.00000000无限个0后面一个1秒后的未来。你问我中间有几个0,其实我并不知道,因为当我用科学计算机算计到科学问题的时候,答案已经不科学了,他给了我一个0,但我可以保证的是,你肯定经历了一场时间旅行。如果你买的是火车票、飞机票的话,那么时间旅行的效果就会更加明显。刚刚在无意中其实我泄露了一个很大的秘密,那就是火车、飞机、轮船它们其实都是时间旅行工具,而不仅仅只是交通工具。有人曾经做过计算,如果你1年不停地坐飞机一直飞,那么1年后当你下了飞机之时,你就会比地面上的人年轻5微秒,仅仅只有5微秒,而且还是要坐1年的飞机。

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想要做时间旅行,除了刚才说的靠速度以外还可以借助引力

在爱因斯坦的广义相对论中,引力同样会延缓时间。如果想要做时间旅行的话,可以找只核潜艇坐一坐,如果有一个人在水下的300米一直呆着,吃1年的罐头,那么上岸以后他就能够比海平面生活的人年轻1微秒,通过这个数字我们可以知道这个效应同样也很微弱,我们在日常生活中依旧可以忽略这种效应。

目前已知做时间旅行跨度最大的是俄罗斯宇航员谢尔盖·克里卡列夫,他是一名空间站的宇航员,他的一生总共在和平号空间站工作了803天,和平号空间站的运动速度是27359千米每小时,因此800多天以后,谢尔盖·克里卡列夫就要比在地球上的人年轻了0.02秒。

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图解:和平号空间站


时间旅行要考虑两种效应

时间旅行同时要考虑两种效应,时间的流逝速度要受到两个方面的影响:

一方面,狭义相对论认为高速移动的物体时间流逝得比静止的要慢。

另一方面,广义相对论认为引力对时间也有影响。

以上两个方面综合起来,所得的结果是——这种由于重力和运动所引起的时间变慢的效应叫做——「时间膨胀」,通过运用时间膨胀效应就能够实现面向未来的旅行,它的实现有两种方式:

第一:以超高的速度运动。

在一列飞驶行速的火车上,钟表的指针移动得就要比站台上的时钟要慢,可是当旅行结束之后,钟表的误差仅仅只有0.0000好几个01,这样的效应是如此的微乎其微,以至于我们可以将此忽略。但是如果当火车的运动速度达到光速的90%,那么在火车上的1年就相当于站台上的2年多。也就是说,如果真的有那么一辆火车,在火车上呆1年下来以后你就来到了2年以后的世界了。

第二:呆在大质量黑洞的附近。

这个距离一定要控制好,我们都知道黑洞吞噬一切,进入黑洞的事件视界之内就意味着永远也回不来了,但是在事件视界之外溜达一圈再回来也是有可能的。如果到了银河系中心黑洞之外绕着它溜达一圈,你所经历的时间只有地球的一半。

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时间旅行,还有一种类型就是——向过去旅行

向过去旅行,还有一个更加脍炙人口的名字叫做——「穿越」。

已故的著名物理学家霍金曾经说过:“如果我有一架时间机器,我就会去拜访玛丽莲梦露。”

对于霍金,我觉得他也算得上是有价值追求的了,还知道穿越回去看美女,我和他是完全不一样的,如果我穿越回了1年前,我就会去买那些已经开过奖了的彩票,如果我穿越回了20年,我直接就会去阻止我爷爷把老家的几套房子卖掉,因为谁会和钱过不去呢!如果有一种方法让我们能够回到过去,想想就会有点小激动,但是回到过去这种旅行方法是可行的吗?

目前还是一个很大的疑问,虽然理论上可行,但是目前没有发现任何可行的方法,什么叫理论上可行呢?在某些特殊的情况下,当广义相对论的方程推导出特殊的解时,就会出现一种叫做「闭合类时曲线 」的东西,这种东西便是我们能够穿越回过去的理论基础,那么什么是「闭合类时曲线 」呢?

想象一下这样的场景:

你用圆规在纸上画了个圆,这个圆就是二维纸面的一条闭合曲线,而如果你早上从家里出发,晚上下班回家,那么你在三维空间的轨迹就是一条闭合的曲线,刚才的这两条闭合的曲线,如果再加上一个时间的维度就不再是闭合的了,因为在时间的维度上,起点和终点的时间并不相同,而所谓的「闭合类时曲线 」就是在那种多维的时空中,描绘物体的运动轨迹形成了一条闭合的路径

还原一下刚才的场景,就是一个人早上出了门,工作了一天回到了家中,发现回到家以后又回早晨,这个就是「闭合类时曲线 」。

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实现穿越的方法,就是要去寻找「闭合类时曲线 」,那么「闭合类时曲线 」是否存在呢?

科学家早就通过理论找到了很多「闭合类时曲线 」,比如第1个发现闭合类时曲线的科学家是美籍奥地利数学家、逻辑学家库尔特·哥德尔(Kurt Godel1906年4月28日-1978年1月14日),这位哥德尔可是相当的了不起,大书特书一晚上都可以不带重复的,他的不完全定理可以说是20世纪数学的最重大的发现。哥德尔和爱因斯坦是好朋友,爱因斯坦晚年也曾经说过,他最幸福的事情就是下班一起和哥德尔回家,这足以显示哥德尔有多么的厉害。爱因斯坦上了年纪以后搞科研已经力不从心了,很少提出新问题的解决思路,但 哥德尔依旧能量满满,他在1949年找到了爱因斯坦广义相对论方程中的一个特殊的解,这个解释是这样的——如果宇宙是旋转的,当你乘坐一艘火箭绕宇宙航行时,会在出发前就返回,这样就能够回到过去了。

哥德尔把他的这个发现作为爱因斯坦70岁生日礼物送给了爱因斯坦,爱因斯坦对这个解感到十分的困忧,在他的回忆录里,他承认理论上的的确确是广义相对论方程的解,但他同时认为我们可以从物理上将它舍去,因为证据表明宇宙没有旋转,而是在膨胀。虽然旋转的宇宙没有得到证实但是哥德尔的这个发现却的的确确证明了「闭合类时曲线 」和广义相对论方程并不矛盾,理论上是非常有可能的。物理定律,至少广义相对论并没有排除我们向过去穿越的理论的可能性。

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宇宙学家已经利用爱因斯坦的方程构建了许多不同的「闭合类时曲线 」

1985年的前后,目前为止最靠谱的时间机器设想才出现,它的基础概念是虫洞」,美国物理学家基普·S·索恩(Kip Stephen Thorne ,1940年6月1日- )就是那个因为检测引力波而获得诺贝尔奖的物理学家,在80年代末发现了一种利用虫洞实现时间穿越的方法

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这个方法大概需要4个步骤:

第1步:我们要找到一个虫洞或者建造一个虫洞。

大型的虫洞可能在宇宙中是自然存在的,也可能不存在,也可能在大爆炸之后遗留了部分的虫洞,但是目前为止我们没有发现任何大型虫洞存在的实验和观测证据。更可能存在虫洞的地方其实是在微观世界,一般认为在非常小的尺度上,时空充满了泡沫,虫洞不断地生成、不断地消失,在这种量子尺度主要的结构可能就是虫洞,小泡沫以及凭空产生和洇灭的宇宙,可是量子尺度的虫洞实在是太少了,根本不可能用来穿越,需要用某种能量将其扩张到我们可用的大小。物理学家认为这种能量场应该和大爆炸之后宇宙暴胀的能量非常的相似。

第2步:稳定虫洞。

由于巨大的引力,虫洞很可能能缩成一个密度无限大或者接近无限大的点,因此需要在虫洞中施加一种与万有引力相对应的力来防止虫洞收缩,这种能量叫做负能量。负能量就是比真空更低的能量或者叫没有任何东西的静止状态,可是真的存在比真空的能量还要低的负能量吗?答案是肯定的,从宏观上看,真空其实就是一无所有,可是如果你凑近了看,会发现所谓的真空其实是一片活跃的量子海洋。

真空不是完全的空无一物,而是存在一种叫做零点能的微小涨落,也可以将这种能量看成一种波,如果在真空中有两个不带电的平行金属板,它们之间的距离很近,这两块板子由于距离很近,会限制板中间的量子波动,而板外的真空并不存在这种限制,因此产生了使金属板相互靠近的力。1997年科学家成功地在实验中找到了负能量,但是它太微弱了。

以上就是第2步,我们要稳定虫洞,找到一个让虫洞稳定的负能量。

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第3步:牵引虫洞,使得虫洞两个端口产生时间差。

现在我们假设虫洞有一个出口A和一个出口B,将A的端口移动到某个中子星的表面,中子星的表面有着巨大的引力场,A端口的时间流失速度就会大大地降低,而B端口待在原地,时间的流失速度不变,这样两个端口就会产生时间的差异,假设两个端口经过了一段时间,它的时间差异是1年。

第4步:当我们找到了虫洞、稳定了虫洞、牵引了虫洞之后,通过这个虫洞由于两个端口会有时间差,当我们从A端口走出B端口之时,就能够回到1年前的那个时间。

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通过上面4个步骤,当代理论物理学家已经证明了这个肯定是能够实现时间穿越的,可是理论是理论,现实是现实,在这个所谓的理论方法中,有很多现实的问题没有被解决。比如——

第1个问题就是如何发现1个虫洞或者如何创造1个虫洞。目前科学家没有发现任何实验和观测数据证明虫洞是自然界真实存在的。而如果要人工制造一个虫洞,就需要找到宇宙大爆炸初期那种让宇宙暴胀的作用,这在目前几乎是不可能完成的任务。

第2个问题是虫洞不稳定。虽然负能量能够让它们稳定,科学家也证明了负能量的存在,但是想要聚集大量的负能量来让虫洞变得稳定,又是一个不可能完成的任务。

其实,说到底我们现在目前根本无法实现面向过去的旅行,可是我们不行,我们的后代未必不可,如果我们的后代实现了穿越,他们很有可能就在我们的身边,就像动画片中机器猫呆在耶比的身边一样,我们只要找到他们,就能够知道时间穿越的奥秘了,可是我们应当如何寻找那些已经实现了时间穿越的人呢!

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