泼时间旅行冷水.doc

泼时间旅行冷水我看过很多以时间旅行为题材的影视作品，包括寻秦记、穿越时空的爱恋、时光倒流七十年等等一大批优秀之作，还曾经为其中的一些穿越古今的生死恋情感动万分或者唏嘘不已。我们人类是感性的动物，都很希望时间旅行有天可以成为现实，但是很对不起，这里我还是要做一件很扫兴的事情，即对我们期待的时间旅行计划发表一下自己的观点，更加确切地，可以说是要给同样是我所热望的时间旅行计划泼上一盆冷水。 在做这件事情之前，我觉得首先要明确时间箭头的概念。因为科学定律并不区分现在和将来，而时间箭头的作用是将过去和将来加以区别，而使得时间有了方向。至少有三种时间箭头：第一是热力学的时间箭头，即在这个时间箭头指向的方向上，宇宙的总无序度即熵增加；第二是心理学上的时间箭头，在这个时间箭头指向的方向是我们感觉时间流逝的方向；最后是宇宙学的时间箭头，宇宙在这个方向上膨胀。其中热力学的时间箭头是很强的，即整个宇宙的无序度始终是在增加的。事实上，这三个时间箭头的指向是一致的，这点可以通过宇宙的无边界条件和弱人存原理得出，但不是我要讨论的重点。 要说明的是，我同意在微观的量子尺度进行时间旅行的可能性，而且可能产生的效应是可以观测的。我们知道，科学定律在CPT联合作用下不变（C是指用反粒子代替粒子；P是取镜像，这样左右即可以互换；T是指颠倒所有粒子的运动方向，换句话说就是使得运动倒回去）。比如，在“空虚”的空间里，某时刻出现一个虚的粒子/反粒子对，它们分离后沿着一个闭合圈环运动然后相遇，湮灭；在这个情况下，我们就可以认为一个沿着时间正向运动的反粒子是一个往时间过去运动的粒子，那么这个虚的粒子/反粒子对可以被认为是一个粒子在时空的闭合圈环中运动（即粒子在时间中往回运动时，可以说成反粒子在时间中向前运动）。又比如，这个虚对中的粒子成员落入黑洞，而它的伙伴反粒子则幸运地从黑洞邻近挣脱，那么我们作为远处的观察者，就可以把落入黑洞的粒子认为是从黑洞出来的沿着时间反向运动的反粒子，而后反粒子沿着时间前进的方向逃逸到无穷远处。在这种情况下，时间旅行产生的效应便是可观测的（虽然这里的时间旅行过程只是观测结果的一部分，而且也许非常短暂）。但是我不认为宏观上我们也可以做时间旅行。引用史蒂芬霍金的时间简史中的一段话作为展开论述的案例。“如果一枚火箭能以低于光的速度从事件A（譬如2012年奥林匹克竞赛的100米决赛）至事件B（譬如半人马座议会第100004届会议的开幕式），那么根据所有的观察这的时间，他们都同意事件A发生于事件B之先。然而，假定飞船必须以超过光的速度旅行才能把竞赛的消息送到议会。那么，以不同速度运动的观察者关于时间A和事件B何为前何为后就众说纷纭。按跟一位相对于地球静止的观察者的时间，议会开幕也许是在竞赛之后。这样，这位观察者会认为，如果他不理会光速限制的话，该飞船能及时地从A赶到B。然而，在半人马座上以接近光速在离开地球方向飞行的观察者觉得事件B即议会开幕，先于事件A即百米决赛发生这样，如果超光速旅行是可能的，运动的观察者会说，就有可能从事件B赶到事件A。如果他运动得再快一些，他甚至还来得及在赛事之前赶回，并在得知谁是赢家的情形下放下赌金。”这个案例中，如果那位在半人马座上以近光速离开地球方向飞行的观察者如果能成功地在接收到事件B的信号之后赶在事件A发生之前出现在地球，那么无疑，他就完成了一次时间旅行。而且从最后部分的叙述来看，似乎并不是不可能。但是事实上，这里面有很多的问题。首先当然是光速壁垒。相对论告诉我们，质量是四维动量的第四维分量，它随着运动速度的变化而变化。M(v)m/,其中m为静止质量，=1/sqr(1-u2/c2)。也就是说，飞船的速度越接近光速，用以对它加速的火箭功率必须越来越大，而且永远达不到光速。因为在接近光速的时候，飞船的质量会变的无限大，我们不可能为飞船提供无限大的能源。退一步说，即使解决了突破光速壁垒所需要的能量问题，使得飞船的速度超越光速，那么，飞船在当前的运行方向上如何折回，到达地球前如何减速？千万不要小看了这一点，这里是一个关键。在没有外力作用的时候，火箭是无论如何也无法掉头向着地球以超光速飞行并自行减速着陆的。如果忽略这一点，我们就会又回到著名的时钟双生子佯谬的问题上。（相对论诞生后，曾经有一个令人极感兴趣的疑难问题-双生子佯谬。一对双生子A和B，A在地球上，B乘火箭去做星际旅行，经过漫长岁月返回地球。爱因斯坦由相对论断言，二人经历的时间不同，重逢时B将比A年轻。许多人有疑问，认为A看B在运动，B看A也在运动，为什么不能是A比B年轻呢?）那么为什么是B将比A年轻呢，其实问题的关键就处在B掉头的时候。我们可以把造成B掉头的原因理解为受到一个特征的强大的引力场的作用，这个引力场可能是一个“准黑洞”，它产生的强大引力弯曲了飞船路径的空间，飞船的速度越大，需要的引力场就越强。如果这里飞船恰好能沿着被扭曲的空间沿着原路返回，这会产生怎么样的效应呢？在飞船开始转向并试图摆脱这个巨大的引力场的时候，飞船射向地球的光线必须克服引力场致使能量产生损失，结果是频率变小而波长边长，飞船原本速度越快，则需要的特征引力场越强，那么转向初期飞船射向地球的光波被拉得越长，极端的情况就像黑洞事件视界上的光线一样，一个周期的光波被无限拉长而散落在整个宇宙空间里了。换句话说，地球上的A会发现B在掉头的时候几乎停止衰老了，而B则会看到A在他掉头并挣脱引力场的过程中迅速衰老，在挣脱引力场并以亚光速飞向地球的过程中，B会看到A的衰老速度逐渐变慢，但是最后仍然快于B观察自己得到的结论；同样的，在此过程中，A看到B的衰老速度逐渐加快并稳定下来，最后也快于A观察自己的衰老速度。当他们相遇时，于是B就比A年轻，这就解决了双生子佯谬的困扰。这说明了什么问题呢？最明显的，我们的那位在半人马座上以近光速离开地球方向飞行的观察者在试图掉头并成功转向的过程中，事件A早已在地球上发生。那么他也就无法实现他的时间旅行了。当然我们也可以试着探讨下，如果飞船可以不借助外力实现加减速，并以突破光速壁垒的速度向着地球飞行。情况又会怎么样呢？当然，这里假设宇航员在事件B发生时正以超光速向远离地球方向飞行就有问题，因为这种情况下，除非宇航员到达过事件B，否则宇航员无法得知B事件的发生。而且当飞船从半人马座出发远离地球飞行的时候，飞船得不到地球上的任何信息，因为任何探测器发出的波都不能超越光速。所以我想可以把条件放宽，使得半人马座上B事件发生的同时飞船以超光速从B事件发生地出发飞向地球。（事实上史蒂芬的条件也确实过于严格，其实在半人马座距离地球较近的地方的观察者同样也会认同事件B先于事件A发生，只是可能会使得理论上他在起飞前状态下认为的A和B事件发生的时间差略微变小）以我对于相对论的理解，会出现一个很好玩的现象。飞船起飞加速到超光速以后，在减速之前，宇航员的任何信号都到达不了半人马座家乡；事实上，在飞船向地球超光速飞行的过程中，宇航员却会吃惊地发现半人马座的时间箭头转向了，他看到了他出发前在半人马座所经历的一些事件的回放，也就是说他忽然认为，事件B在他离开后家乡后的这个时刻根本就还未曾发生！同时飞船中的宇航员会认为地球上的时间箭头也发生了转向，他会认为首先是地球出现在他眼前，然后再远离他而去。简单地说，在这位宇航员看来，他所体验的是他到达地球全过程的逆向放映！（我本来认为他会发现地球上的时间进程出奇得快，而半人马座的时间箭头转向，但是如果是这样，地球上的观察者也会认为飞船的时间进程大大加速，而不是时光倒流。我曾为此困扰了一段时间，后来终于找到了合理的解释仅仅是超光速运动的飞船本身的时间箭头发生了转向，而不是事件A或者B的发生地）而当毫无征兆地忽然发现飞船到达地球之后，地球上的观察者会惊讶至极：他们随后观测到了来自半人马座飞船中驶向地球全程的倒放，就像电影倒带一样（飞船速度超出光速越多，地球上的观察者可能观测到的带子持续时间就越长，而且我们根据看倒带所得出的AB事件所在空间距离小于实际距离，因为录像带的长度等于AB事件发生地的三维空间距离除以光速之值再减去AB事件发生地的三维空间距离除以飞船的速度之值）。当然，如果飞船速度恰好是光速，那么这个神奇的倒带可能便无法观看了。对于出现可观测的“倒带”现象的结论我觉得很有意思，当飞船能够以超光速飞行的时候，确实有类似于时间旅行的事件发生。但是，地球上的观察者认为经历了时间旅行的宇航员本身并不同意这一结论。同样的，虽然半人马座观测到飞船的时间正在膨胀，但半人马座星人如果知道宇航员认为自己在做时间旅行的话，他们是不会表示赞同的。地球人也会有同样的意见。就像我们觉得从黑洞出来的虚的粒子是掉入其中的反粒子在逆着时间方向旅行，但是逃逸的反粒子和它那可怜的伙伴肯定会为此大为恼火。好了，回过头来看看忽略变速和光速壁垒情况下的时间旅行可能性，根据以上的分析，我们似乎可以看到解决了这两大难题之后时间旅行的前景。不管宇航员是否承认自己体验了神奇的心理箭头转向，他在经历事件B后赶在事件A发生前赶到地球确实是有可能的，尽管回溯的时间应该存在一个极限。（以上提到的“看到”均可以理解为仪器探测解读，因为在这些速度的条件下所有原本的可见光对于地球上的观察者早已移出了可见光的波段。另外，以上存在超光速的假设是与相对论的基础有抵触的，所以也许我试图基于超光速飞船做出分析的意图本身就是不明智的，而且一般来说无法验证结论）但是我们无法超越光速。即使可以，我们也无法依靠自己改变速度和方向。而实现后者的条件对影响时间尺度很重要。既然我们不能从半人马座到地球时空最短方向以超光速飞行实现时间旅行，是不是就没有其他办法了呢？似乎也不一定，也许我们可以尝试一条另外的路径，以避免和光线做出同样的路径选择。可以肯定的一点是，这样的一条路径在我们自然状态下的宇宙是不存在的。因为如果存在，我们完全有理由相信上帝会让光线比我们更早地发现这些路径，光程始终是在思维时空中沿着两点之间的最短路径行进的。所以我们必须要人为地把时空弯曲。举个例子，在一张白纸的对角各画上一个圆点，在通常的二维几何里面，我们会认为两点间直线距离最短。但是黎曼几何告诉我们一个完全不同的结论。如果我们把纸张卷起来，那么这两点间的距离很有可能比之前认为的更短，而且卷起的曲率越大，这两点之间的距离会越短。所以如果半人马座上那位宇航员在得知B事件发生以后能以另外的方式几乎是同时出现在地球的话，那么他就真正完成了一次成功的时间旅行。而且出看起来对于一个先进的文明，这似乎并非完全不可能。我们可以证明，制造出这么一条路径需要负曲率的时空区域，如同一个马鞍面。通常的物质具有正的能量密度，赋予时空正的曲率，如同一个球面。这样，为了使时空卷曲成允许时间旅行的样子，我们需要负的能量密度。首先想到的是通常认为具有等价于负能量的反物质。不幸的是，似乎我们所能观测到的宇宙中并不存在集中的、大量的反物质。因为如果存在这样的反物质区域，那么在与物质区域的交界处必然会产生规模巨大的湮灭，从而以辐射能量的形式向周围空间传达。而事实上，我们观测到的宇宙微波背景辐射温度在各个方向上是如此的统一。庆幸的是，量子论允许负能量密度的物质的存在，卡西米尔效应验证了这一点。（简单的说，卡西米尔效应表明了我们认为是“空虚”的空间充满了虚的粒子和反粒子，两块距离很近的金属平板间的能量密度就是负的）所以我们也许可以期待一个高度发达的文明创造出一个连接过去或者未来的虫洞，通过它我们可以实现时间旅行。然而这里还有矛盾！抛开为什么我们地球没有被来自未来的游客充斥以及为什么从来没有人回到过去的问题，要解决一类佯谬就不容易。这种佯谬有很多版本，比如，假定你回到过去并且将你的曾祖父在仍未孩童时杀死等等，这些佯谬表明，如果一个人可以自由地改变过去，则他就会遇到矛盾。一般认为有两种方法来解决由时间旅行导致的佯谬。第一种可以称为协调历史方法。它是说，甚至当时空被卷曲得可能旅行到过去时，在时空中发生的必须是物理定律的协调解。根据这个观点，除非历史表明，你曾经回到过去，并且当时没有干过任何事情和你的现状相冲突，你才能回到过去。此外，当你回到过去，你不能改变历史的记载。即你并没有自由意志为所欲为。但是我认为仍有问题。下面简单表述一下我的理由。首先，造成时空卷曲的物理条件并不能验证你是否会在过去改变历史，如果它可以，那么物理定律对于不同的人会产生不同的作用，也就是说物理定律对于不同的观察者是不同的，这是与我们最基本的认识相矛盾的。再有，所谓的协调解是否存在的问题。我们知道蝴蝶效应，就是说科学计算中初始值的微小变化会造成结果的大相径庭，在过去的时空多了一个“你”之后，我们完全有理由相信不能找到与所有的物理定律都协调的另外的解。举个简单的例子，你回到过去之后可以不杀你的祖父，但是你在该时空的存在仍然会对你所处的时空造成影响，比如早上出门的时候踩死一只蚂蚁。在你出生之前的很长时间前的某个时刻，它是活着的，然而它现在却在这个时间之前就死了，这就是一个无法调和的矛盾。甚至拿你每天必须的进食来说，可能的结果是当稻米本来还在待售的时候就被你吃掉了。这样，结论就很明显了：除非我们不与过去发生任何的联系，这样才会存在一个可以协调所有物理定律的解，即过去历史原有的解。但是如果是这样，那么又回到了我之前得到的结论，我们仍然可以人为是作为一个“远处”的观察者在“观察”过去，而不是真正意义上的回到过去，因为我们不能够把信息传递到可能是“如此近”的“周围”。不同的是，我们也许更加感觉自己“身临其境”而已。然而无法想象，你处在那个时空而同一时空的其他所有的人在都不能发现你的存在，（因为一旦发现或者可以探测到你的存在，你就会对他们造成某种程度的影响进而引发矛盾）除非你就是传说中的“鬼”？第二种可能的解决理论被称为选择历史假说。其思想是，当时间旅行者回到过去，他就进入和记载的历史不同的另外历史中去。这样，他们可以自由行动，不受和原先的历史一致的约束。这个假说的来源我认为与双缝干涉实验有关，仔细分析双缝干涉实验，事实上它告诉我们一个惊人的结论：同一个光子是同时穿过了两条缝！于是查理费恩曼把量子论表达成历史求和的方法，这是一个很好的方法；类似的，该假说认为宇宙不仅仅有一个单独的历史，它有所有可能的历史，每一个历史都有自己的概率。这个假说认为，一个“现在”孕育着无数个“将来”，而且每个“将来”又孕育着无数个“再将来”，就像一棵大树分出很多枝丫，枝丫上又分离出很所小的枝丫，而且每个历史都是完整的。也就是说，每个历史都是由完整的时空和其中的每一件东西组成的。但是根据我们现在普遍承认的一点，就是我们以及所有“现在”的物质必须留在同一个历史中，这样，便出现了几乎无法克服的矛盾，无法想象有无限个你我存在于不同的父子历史中。（当然或许我们可以用强人存原理进行辩护）此外，即使可能发生时间旅行，那么不管是以什么手段进行的，似乎总会出现附加的效应，并且在此之中还可能存在不可调和性。设想，如果我们可以通过虫洞时间旅行，某一时空点一个观察者在事件A发生时穿过虫洞而到达事件B，那么绝对不能排除他穿过虫洞从事件B再次到达事件A，这个过程是可以无数次重复的。同样的道理，在虫洞中时空的闭合环上，沿着该闭合环运动的构建虫洞的虚粒子，可以变成在时间的前进方向上不高于光速运动的实粒子，它们会多次通过时空的同一点，导致该点的能量密度变得非常大。这种正能量密度的增加引起的正的曲率是不是会抵消产生通道的负能量密度物质引起的负的曲率还不知道，但是基本上极有可能。也就是说这种旅行会导致与产生这种旅行的通道本身的关闭，从而使得可怜的旅行者在某次穿越时一头撞上奇点而结束自己的时间。当然，我们可以假设他可以回到过去一次后通道关闭（已经很勉强，理论上似乎他很难在虚粒子沿着闭合环运动完成足够大的能量密度积累之前穿越），他虽然不再回来却也已经成功完成时间旅行，但是我认为这里仍然存在矛盾。因为我们肯定热力学时间箭头、心理时间箭头和宇宙学时间箭头的方向是一致的，而且热力学时间箭头的指向是宇宙熵的增加方向。如果宇航员回到过去且通道随即关闭，再次将两个时空隔开而假设没有其他任何物质从通道中旅行，那么，事件A和B所在时空的总熵会在宇航员到到达和离开时刻产生一个突变，这样，事件A所在时空的时间箭头失去了方向，事件B所在的事件箭头同样如此，这样心理学的时间可能也就失去了箭头。也就是说事件A和B所在时空的时间进程全都停止了，唯一可能使之重新运转的解释是宇航员回到事件B。但是这意味着什么呢？仔细想想，如果这位大难不死的宇航员能够回到事件B，那就表明他从未经历过事件A!这就好像黑洞事件视界上的光线不会相互靠近，如果靠近碰撞并被黑洞吞没，那么他们根本从未在事件视界上面呆过，是一样的道理。说得更加明白一点，时间箭头本身否定了时间旅行的可行性。我以上关于时间旅行的讨论基于的事件A和B的关系是从事件A出发，只有超光速才能到达事件B，也就是说，不同的观察者对事件A和B发生的先后顺序有异议，只有在这个条件下，我们讨论时间旅行才有意义。如果是火箭以亚光速即能从事件A赶到事件B，那么所有的观察者都会一致认为事件A发生在事件B之前，没有人会认为他会有可能在事件B发生之后赶到事件A。在这时谈时间旅行将是没有意义的。从这里我得到一个结论，最理想的理论上，从事件A到事件B时间