科学探索与发现-时间旅行(time travel).doc

时间旅行学院:电气工程学院 姓名:高卫康 学号:201000192005每个人在小时候都幻想过自己回到过去或者穿越到未来世界，在科幻电影中也经常看到主人公回到过去或到未来世界完成任务的场景。在著名的科幻小说以及根据它改编的电影回到未来系列中主人公凭借时光机器改变了世界。那么在现实生活中，时间旅行是否可行呢？现在这仍然是个未解的难题，科学家们也在争论不休。1. 理论实际上时间是没有方向性的，时间和空间都是我们在描述现实的物质世界时引入的抽象概念，它不是如物质粒子这样客观的实体，是为了对现实世界进行数学描述时引入的一种度量概念。时间与空间在这些数学公式中的地位是极其相似的，但是有一点不同，时间是不能静止的，它总给人一种在不断“流逝”的感觉。但事实上这是因为世界是在不断变化中的，这才是让我们认为时间在“流逝”的根本原因。如果你被时间这个概念困惑的话，不如说，时间根本是不存在的，存在的不过是一个不断演化的宇宙。时间的概念就是对这个演化宇宙进行描述时产生的。在牛顿的经典物理学体系中，时间是无法被改变的，他一直在静静地走下去。然而，这种观念被爱因斯坦的相对论打破了。目前， 爱因斯坦人们对时间最完善的理解来自爱因斯坦的相对论。在相对论问世的1905年，爱因斯坦在他的相对论中说：时间是相对的，当我们以接近或超过光速的运动的时候，时间会很慢或静止，也就是说，如果一个人以接近光速旅行，那么时间对他来说就会停滞，这太令人振奋了，当人乘坐接近光速的飞船去旅行，在旅行的过程中时间就会变慢，因此，当他再回到地球的时候就可能已经过了一个世纪。对他来 狭义相对论说，只要花很少的时间就能进入未来世界。之前，时间被广泛地认为是绝对的和普遍的，不管人的运动状态如何，时间对于每个人都是一样的。但是，1905年爱因斯坦的狭义相对论指出：光速无法超越，时间不可能倒流。但是时间不可能倒流这个结论在爱因斯坦提出的广义相对论里被推翻了，从广义相对论找到一些更合理的时空，它们允许旅行到过去。其中之一即是旋转黑洞的内部。另外一种是包含两根快速穿越的宇宙弦的时空。顾名思义，宇宙弦是弦状的物体，它具有长度，但是截面很微小。实际上，它们更像在巨大张力下的橡皮筋，其张力大约为1亿亿亿吨。把一根宇宙弦系到地球上，就会把地球在1/30秒的时间里从每小时零英里（1英里= 1.609公里）加速到每小时60英里。宇宙弦初听起来像是科学幻想物，但有理由相信，它在早期宇宙中可由对称破缺机制而产生。因为宇宙弦具有巨大的张力，而且可以从任何形态起始，所以它们一旦伸展开来，就会加速到非常高的速度。2. 穿梭于未来2.1 利用速度根据狭义相对论，时间是可以伸展和收缩的，视观察者移动多快而决定。举例，假设A 在纽约登机飞到里约热内卢，然后马上再飞回纽约，而B 则一直在纽约肯尼迪机场里。这趟旅程所费的时间对于A 和B 并不相同，对A 而言，实际上所花的时间会更少。在一九七一年时，物理学家哈菲尔(Joe Hafele) 和基廷(Richard Keating) 做了证明。他们将高度精确的原子钟放在飞机上绕着世界飞行，然后将读到的时间与留在地面上完全一模一样的时钟做比较。结果证实：在飞机上的时钟走得比实验室里的慢。物理学家将因运动而造成的时间减缓称为时间膨胀效应：当运动速度越快，时间变得越慢。这样的情况在物体接近光速时更加明显。因为按照相对论，光是宇宙中最快的东西。如果在以光速运行的火车里的人要向前运动那么他就获得了比光更快的速度。但是这是不可能的。所以只有一个解释，那就是火车里的时间变慢了。因此，我们可以用这样一种方法到达未来：假设一个人在2001年登上火箭，以99%光速飞向10光年之外的恒星，另一个人则待在家里。当飞行员抵达目的地时，立即掉头，并以相同的速度返回地球。以在家中的人来看，这趟旅程的时间长短大约为地球上20年，但是飞行员所经历的时间却不同。对她来说，这趟旅程还不到3年，所以当她回到地球时，她发现时间已变为2021年，而在家中的人比她老了17岁，或者说飞行员已经被送到在家中的人17年后的未来。2.2 利用重力在爱因斯坦的广义相对论中，他预言引力可以减缓时间的流逝。与在地下室相比，钟在顶楼上要走得快一些，在更接近于地心因而也更深入于引力场的情况下，这一现象将愈加显著。类似地，钟在太空里比在地面上走得更快。尽管这一效应微乎其微，但它已被精确的时钟直接测得。的确，在全球定位系统中必须考虑到这些时间挠曲效应。如果他们没有考虑到这一点，海员、出租车司机和巡航导弹将会发现自己偏离出规定轨道有许多公里。如将数字代入爱因斯坦的理论中，会发现地球本身的重力造成时钟每300年慢1微秒。一九七六年，维索特(Robert Vessot) 和列文(Martin Levine) 从西维吉尼亚州将一枚载有氢迈射时钟的火箭发射到太空，然后在地面上仔细监控。几个小时后，火箭坠落进大西洋，而上面的时钟比地球的时钟多出了约0.1微秒。如果可以神奇地将地球挤压到一半的大小 (保留所有质量)，地球表面的重力将变成2倍大，时间的扭曲也会变成2倍大。如继续挤压下去，当地球的半径变成0.9厘米时，时间将会 “保持静止”，没有东西可以逃脱！黑洞代表了时间翘曲的极致；在该天体的表面，时间相对于地球来说是停滞的。这意味着，倘若你从附近落入黑洞，在你到达其表面所花费的短暂的时间内，广阔的宇宙已经历了无限长的时期。因此，就黑洞外部的宇宙而言，黑洞内部是时间终结的区域。3. 回到过去到现在为止，我已经讨论了在时间中朝未来旅行的情况。那么逆行又会怎样呢？这可要成问题得多。如果牛顿的绝对空间和时间是正确的自然描述，那么我们只能说，前往过去是不可能的。但是根据爱因斯坦的弯曲时空(Curved Space-Time)宇宙论，各种事情的变通性更大。从个人的主观观点来看，人一直在向前行进，从学术上来说就是，你沿着类时曲线穿过时空。但是引力造 成的大规模时空弯曲，会使类时曲线形成回路，换句话说就是，它们变成闭合类时曲线。任何人从这样的路径上经过，都能遇到过去的自己。爱因斯坦证实了时间旅行是有可能发生的。但是，事实上要弯曲时空，让它产生闭合类时曲线并不容易，没有人知道能做到这些的方法，也不清楚这种情况是否有可能发生。不过有关虫洞、宇宙弦和旋转宇宙的想法已经迅速传播开来。质疑时间旅行的人，多半会提到祖父悖论。简单的说就是如果你回到过去杀了你的祖父（在你父亲出生前），你还会存在吗？但关于这种说法，也有人提出了历史一致论（consistent histories）、命定悖论（Predestination paradox) 和多重宇宙理论（multi-universe）来作为解答。什么是命定悖论呢？就是改变历史的做法，不论企图与否，最终都会引致历史所“命定”的结果，而并非作出之外的改变。所以，你所做的一切就是原本的历史。而多重宇宙理论是指在我们的宇宙之外，很可能还存在着其他的宇宙，而这些宇宙是宇宙的可能状态的一种反应，这些宇宙可能其基本物理常数和我们所认知的宇宙相同，也可能不同。平行宇宙经常被用以说明：一个事件不同的过程或一个不同的决定的后续发展是存在于不同的平行宇宙中的；这个理论也常被用于解释其他的一些诡论，像关于时间旅行的一些诡论，像“一颗球落入时光隧道，回到了过去撞上了自己因而使得自己无法进入时光隧道”，解决此诡论除了假设时间旅行是不可能的以外，另外也可以以平行宇宙做解释，根据平行宇宙理论的解释：这颗球撞上自己和没有撞上自己是两个不同的平行宇宙。就是说你回到了过去，并对某件事做出改变。当你改变它时，这个宇宙已经不再是你未来的那个宇宙了。因此能否回到过去是不确定的。广义相对论预言如果有可以通过的虫洞存在，则回到过去是可能的。理论上，虫洞是连结白洞和黑洞的多维空间隧道，是无处不在，但转瞬即逝的。在我们周围，每一