人們也許會(huì)問(wèn):“它相對(duì)于何物而旋轉(zhuǎn)?”其答案是遠(yuǎn)處的物體繞著小陀螺或者陀螺儀的指向旋轉(zhuǎn)。
這導(dǎo)致了一個(gè)附加的效應(yīng),一位航天員可以在他出發(fā)之前即回到地球。這個(gè)性質(zhì)使愛(ài)因斯坦非常沮喪,他曾經(jīng)以為廣義相對(duì)論不允許時(shí)間旅行。然而,鑒于愛(ài)因斯坦對(duì)引力坍縮和不確定原理的無(wú)端反對(duì),這也許反而是一個(gè)令人鼓舞的跡象。因?yàn)槲覀兛梢宰C明,我們生存其中的宇宙是不旋轉(zhuǎn)的,所以哥德爾找到的解并不對(duì)應(yīng)于它。它還有一個(gè)非零的宇宙常數(shù)。宇宙常數(shù)是當(dāng)愛(ài)因斯坦以為宇宙是不變時(shí)引進(jìn)的。在哈勃發(fā)現(xiàn)了宇宙的膨脹后,就不再需要宇宙常數(shù),而現(xiàn)在普遍認(rèn)為它應(yīng)為零。然而,之后從廣義相對(duì)論又找到其他一些更合理的時(shí)空,它們?cè)试S旅行到過(guò)去。其中之一即是旋轉(zhuǎn)黑洞的內(nèi)部。另外一種是包含兩根快速穿越的宇宙弦的時(shí)空。顧名思義,宇宙弦是弦狀的物體,它具有長(zhǎng)度,但是截面很微小。實(shí)際上,它們更像在巨大張力下的橡皮筋,其張力大約為1億億億噸。把一根宇宙弦系到地球上,就會(huì)把地球在1/3o秒的時(shí)間里從每小時(shí)零英里(1英里=公里)加速到每小時(shí)60英里(1英里=公里)。宇宙弦初聽起來(lái)像是科學(xué)幻想物,但有理由相信,它在早期宇宙中可由在第五章討論過(guò)的那種對(duì)稱破缺機(jī)制而產(chǎn)生。因?yàn)橛钪嫦揖哂芯薮蟮膹埩Γ铱梢詮娜魏涡螒B(tài)起始,所以它們一旦伸展開來(lái),就會(huì)加速到非常高的速度。
哥德爾解和宇宙弦時(shí)空一開始就扭曲,使得總能旅行到過(guò)去。上帝也許會(huì)創(chuàng)生了一個(gè)如此卷曲的宇宙,但是我們沒(méi)有理由相信他上帝會(huì)這樣做。微波背景和輕元素豐度的觀測(cè)表明,早期宇宙并沒(méi)有允許時(shí)間旅行的曲率。如果無(wú)邊界設(shè)想是正確的,從理論的基礎(chǔ)上也能導(dǎo)出這個(gè)結(jié)論。這樣問(wèn)題就變成:如果宇宙初始就沒(méi)有時(shí)間旅行所必須的曲率,我們能否隨后把時(shí)空的局部區(qū)域卷曲到這種程度,以至于允許時(shí)間旅行?
快速恒星際或星系際旅行是一個(gè)密切相關(guān)的問(wèn)題,也是科學(xué)幻想作家所關(guān)心的。根據(jù)相對(duì)論,沒(méi)有東西比光運(yùn)動(dòng)得更快。因此,如果我們向我們最近鄰的恒星α-半人馬座——發(fā)送空間飛船,由于它大約在4光年那么遠(yuǎn),所以我們預(yù)料至少要8年才能等到旅行者們回來(lái)報(bào)告他們的發(fā)現(xiàn)。如果要去銀河系中心探險(xiǎn),至少要10萬(wàn)年才能返回。相對(duì)論確實(shí)給了我們一些寬慰。這就是在第二章提及的雙生子佯謬。
因?yàn)闀r(shí)間不存在惟一的標(biāo)準(zhǔn),而每一位觀察者都擁有他自己的時(shí)間。這種時(shí)間是用他攜帶的時(shí)鐘來(lái)測(cè)量的,這樣航程對(duì)于空間旅行者比對(duì)于留在地球上的人顯得更短暫是可能的。但是,這對(duì)于那些只老了幾歲的回程的空間旅行者,并沒(méi)有什么值得高興的,因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)留在地球上的親友們已經(jīng)死去幾千年了。這樣,科學(xué)幻想作家為了使人們對(duì)他們的故事有興趣,必須設(shè)想有朝一日我們能運(yùn)動(dòng)得比光還快。大部分這些作家似乎未意識(shí)到的是,如果你能運(yùn)動(dòng)得比光還快,則相對(duì)論意味著,你能向時(shí)間的過(guò)去運(yùn)動(dòng),正如以下五行打油詩(shī)所描寫的那樣:
有位年輕小姐名懷特,
她能行走得比光還快。
她以相對(duì)性的方式,
在當(dāng)天剛剛出發(fā),
卻已在前晚到達(dá)。
關(guān)鍵在于相對(duì)論認(rèn)為不存在讓所有觀察者同意的惟一的時(shí)間測(cè)量。相反地,每位觀察者各有自己的時(shí)間測(cè)量。如果一枚火箭能以低于光的速度從事件a(譬如2012年奧林匹克競(jìng)賽的100米決賽)至事件b(譬如α-半人馬座議會(huì)第100,004屆會(huì)議的開幕式),那么根據(jù)所有觀察者的時(shí)間,他們都同意事件a發(fā)生于事件b之先。然而,假定飛船必須以超過(guò)光的速度才能把競(jìng)賽的消息送到議會(huì),那么以不同速度運(yùn)動(dòng)的觀察者關(guān)于事件a和事件b何為前何為后就眾說(shuō)紛紜。按照一位相對(duì)于地球靜止的觀察者,議會(huì)開幕也許是在競(jìng)賽之后。這樣,這位觀察者會(huì)認(rèn)為,如果他不理光速限制的話,該飛船能及時(shí)地從a趕到b。然而,在α-半人馬座上以接近光速在離開地球方向飛行的觀察者就會(huì)覺(jué)得事件b,也就是議會(huì)開幕,先于事件a,也就是百米決賽發(fā)生。相對(duì)論告訴我們。對(duì)于以不同速度運(yùn)動(dòng)的觀察者,物理定律是完全相同的。
這已被實(shí)驗(yàn)很好地檢驗(yàn)過(guò)。人們認(rèn)為,即使用更高級(jí)的理論去取代相對(duì)論,它仍然會(huì)被作為一個(gè)特性而保留下來(lái)。這樣,如果超光速旅行是可能的,運(yùn)動(dòng)的觀察者會(huì)說(shuō),就有可能從事件b,也就是議會(huì)開幕式,趕到事件a,也就是百米競(jìng)賽。如果他運(yùn)動(dòng)得更快一些,他甚至還來(lái)得及在賽事之前趕回,并在得知誰(shuí)是贏家的情形下放下賭金。
要打破光速壁壘存在一些問(wèn)題。相對(duì)論告訴我們,飛船的速度越接近光速,用以對(duì)它加速的火箭功率就必須越來(lái)越大。對(duì)此我們已有實(shí)驗(yàn)的證據(jù),但不是空間飛船的經(jīng)驗(yàn),而是在諸如費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室或者歐洲核子研究中心的粒子加速器中的基本粒子的經(jīng)驗(yàn)。我們可以把粒子加速到光速的%,但是不管我們注入多少功率,也不能把它們加速到超過(guò)光速壁壘。空間飛船的情形也是類似的:不管火箭有多大功率,也不可能加速到光速以上。
這樣看來(lái),快速空間旅行和往時(shí)間過(guò)去旅行似乎都不可行了。然而,還可能有辦法。人們也許可以把時(shí)空卷曲起來(lái),使得a和b之間有一近路。在a和b之間創(chuàng)造一個(gè)蟲洞就是一個(gè)法子。顧名思義,蟲洞就是一個(gè)時(shí)空細(xì)管,它能把兩個(gè)幾乎平坦的相隔遙遠(yuǎn)的區(qū)域連接起來(lái)。
蟲洞兩個(gè)端點(diǎn)之間在幾乎平坦的背景里的分離和通過(guò)蟲洞本身的距離之間沒(méi)必要有什么關(guān)系。這樣,人們可以想像,他可以創(chuàng)造或者找到一個(gè)從太陽(yáng)系附近通到。半人馬座的蟲洞。雖然在通常的空間中地球和α-半人馬座相隔20萬(wàn)億英里(1英里=公里),而通過(guò)蟲洞的距離卻只有幾百萬(wàn)英里(1英里=公里)。這樣百米決賽的消息就能趕在議會(huì)開幕式前到達(dá)。然后一位往地球飛去的觀察者也應(yīng)該能找到另一個(gè)蟲洞,使他從α-半人馬座議會(huì)開幕在賽事之前回到地球。因此,蟲洞正和其他可能的超光速旅行方式一樣,允許人們往過(guò)去旅行。
時(shí)空不同區(qū)域之間的蟲洞的思想并非科學(xué)幻想作家的發(fā)明,它的起源是非常令人尊敬的。
1935年愛(ài)因斯坦和納珍·羅森寫了一篇論文。在該論文中他們指出廣義相對(duì)論允許他們稱為“橋”,而現(xiàn)在稱為蟲洞的東西。愛(ài)因斯坦——羅森橋不能維持得足夠久,使得空間飛船來(lái)得及穿越:蟲洞會(huì)縮緊,而飛船撞到奇點(diǎn)上去。然而,有人提出,一個(gè)先進(jìn)的文明可能使蟲洞維持開放。人們可以把時(shí)空以其他方式卷曲,使它允許時(shí)間旅行。可以證明這需要一個(gè)負(fù)曲率的時(shí)空區(qū)域,如同一個(gè)馬鞍面。通常的物質(zhì)具有正能量密度,賦予時(shí)空以正曲率,如同一個(gè)球面。所以為了使時(shí)空卷曲成允許旅行到過(guò)去的樣子,人們需要負(fù)能量密度的物質(zhì)。
能量有點(diǎn)像金錢:如果你有正的能量,就可以用不同方法分配,但是根據(jù)本世紀(jì)初相信的經(jīng)典定律,你不允許透支。這樣,這些經(jīng)典定律排除了時(shí)間旅行的任何可能性。然而,正如在前面幾章所描述的,量子定律已經(jīng)超越了經(jīng)典定律。量子定律是以不確定性原理為基礎(chǔ)的。量子定律更慷慨些,只要你總的能量是正的,你就允許從一個(gè)或兩個(gè)賬號(hào)透支。換言之,量子理論允許在一些地方的能量密度為負(fù),只要它可由在其他地方的正的能量密度所補(bǔ)償,使得總能量保持為正的。量子理論允許負(fù)能量密度的一個(gè)例子是所謂的卡西米爾效應(yīng)。正如我們?cè)诘谄哒驴吹降模踔廖覀冋J(rèn)為是“空”的空間也充滿了虛粒子和虛反粒子對(duì),它們一起出現(xiàn)分離開,再返回一起并且相互湮滅。現(xiàn)在,假定人們有兩片距離很近的平行金屬板。金屬板對(duì)于虛光子起著類似鏡子的作用。事實(shí)上,在它們之間形成了一個(gè)空腔。它有點(diǎn)像風(fēng)琴管,只對(duì)指定的音階共鳴。這意味著,只有當(dāng)平板間的距離是虛光子波長(zhǎng)(相鄰波峰之間的距離)的整數(shù)倍時(shí),這些虛光子才會(huì)在平板之中的空間出現(xiàn)。如果空腔的寬度是波長(zhǎng)的整數(shù)倍再加上部分波長(zhǎng),那么在前后反射多次后,一個(gè)波的波峰就會(huì)和另一個(gè)波谷相重合,這樣波動(dòng)就被抵消了。
因?yàn)槠桨逯g的虛光子只能具有共振的波長(zhǎng),所以虛光子的數(shù)目比在平板之外的區(qū)域要略少些,在平板之外的虛光子可以具有任意波長(zhǎng)。所以人們可以預(yù)料到這兩片平板遭受到把它們往里擠的力。實(shí)際上已經(jīng)測(cè)量到這種力。并且和預(yù)言的值相符。這樣,我們得到了虛粒子存在并具有實(shí)在效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
在平板之間存在更少虛光子的事實(shí)意味著它們的能量密度比它處更小。但是在遠(yuǎn)離平板的“空的”空間的總能量密度必須為零,因?yàn)榉駝t的話,能量密度會(huì)把空間卷曲起來(lái),而不能保持幾乎平坦。這樣,如果平板間的能量密度比遠(yuǎn)處的能量密度更小,它就必須為負(fù)的。
這樣,我們對(duì)以下兩種現(xiàn)象都獲得了實(shí)驗(yàn)的證據(jù)。第一,從日食時(shí)的光線彎折得知時(shí)空可以被卷曲。第二,從卡西米爾效應(yīng)得知時(shí)空可被彎曲成允許時(shí)間旅行的樣子。所以,人們希望隨著科學(xué)技術(shù)的推進(jìn),我們最終能夠造出時(shí)間機(jī)器。
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