真的能穿越時空嗎？[科學探索]

一般而言，根據愛因斯坦的狹義相對論，任何物體通過空間時的絕對速度是沒有意義的，因為在太空中沒有合適的慣性參考系統, 可以作為測量銀河速度的依據(運動的速度, 總是需要與另一個物體比較才能量度)。 　　因為各向宇宙微波背景輻射非常的均勻, 只有萬分之幾的起伏. 所以就讓喬治·斯穆特想到了一個方法, 就是測量宇宙微波背景輻射有沒有偶極異向性。 　　在1977年, 美國勞倫斯伯克萊國立實驗室的喬治·斯穆特等人, 將微波探測器安裝在U-2偵察機 上面, 確切地測到了宇宙微波背景輻射的偶極異向性, 大小為 3.5±0.6 mK, 換算後, 太陽系在宇宙中的運動速度約為 390±60 km/s, 但這個速度, 與太陽系繞行銀河系核的速度 220 km/s 方向相反, 這代表銀河系核在宇宙中的速度, 約為600 多km/s。 　　 有鑒於此，許多天文學家相信銀河以每秒600公里的速度相對於鄰近被觀測到的星系在運動，大部份的估計值都在每秒130～1,000 公里之間。如果銀河的確以每秒600公里的速度在運動，我們每天就會移動5,184萬公里，或是每年189 億公里。相較於太陽系內，每年移動的距離是地球與冥王星最接近時距離的4.5倍。銀河在空間中運動的方向是指向長蛇座的方向。 　　2003年9月，科普雜誌《牛頓科學世界》以「時間機器何時起程」為題，報道了澳大利亞物理學家保羅·戴維斯提出的時間機器的製造方法。 　　2004年4月20日，美國宇航局將一顆歷時45年研發而成的「引力探測-B」科學衛星發射上天，它要以前所未有的精度，驗證愛因斯坦的廣義相對論中所預言的時空扭曲是否真的存在。 　　人們不知道「引力探測-B」是會給愛因斯坦的理論再添一塊基石，還是將動搖並從根本上改變我們對宇宙以及時空的認識；而保羅·戴維斯和無數的科幻迷們，同樣迫切地期待它的答覆：時空之旅能否成行。 　　□當人們開始科學地觀測宇宙時，相信絕大部分人在太空四處遨遊的夢想也會隨之破滅，因為天文學家告訴我們：宇宙之大大到我們幾乎無法想像！ 　　

我們所處的銀河系，彷彿是一個涌動著激流的巨大無比的漩渦，無數恆星依靠引力在這裡聚攏，在銀河系中像太陽一樣的恆星約有2000億個，而宇宙中的星系，以人類目前的觀測大概是500億到1000億個，這著實讓人類嘆為觀止。 　　專家江曉原介紹說，我們現在的航天能力，就好像在一個大都市裡，我們剛剛從某幢房子的門走出去，圍著這房子繞了一圈。對整個城市來說這樣的圈子實在是太小了。今後如果要遨遊宇宙，靠目前的航天手段，甚至我們今天能夠想像的航天手段都是不可能的，一定要靠時空旅行，這是事實。專家認為之所以要改變時空結構進行時空旅行，是因為如果按照傳統的加速思想，即使把現有的航天器提速到接近光速，遨遊宇宙也是不可能的。比如離銀河系最近的是仙女座星系，在晴朗的夜空中肉眼就可以看到它，仙女座星系也被稱為草帽銀河，它的樣子就像一頂漂亮的西班牙草帽。然而我們要到達那頂草帽，即使以光速前進也要走230萬年。 　　1997年，根據美國著名天文物理學家卡爾·薩根的科幻作品所改編的科幻電影《接觸未來》被搬上銀幕。 　　薩根希望講述一個人類與外星人接觸的故事，但對人類如何到達外星的方法，他也設想不出來。後來的書中就只好這樣處理，讓外星更先進的文明通過無線電傳授給地球人一種製造一台時間機器的方法，它可以在地球與天琴座α星之間建立便捷的通道。在電影中女主人公登上了一艘飛船，她的腳下是轉動的機械臂，彷彿是進入了一個巨型離心機的渦輪之中。在影片中人們看到女主人公乘坐時間機器，飛速進入到一條五彩斑斕的隧道中，最終她終於來到了天琴座α星。 　　天琴座α星就是中國人非常熟悉的織女星。而從地球到織女星以光速也要走26年。江曉原介紹說，像電影里所描述的那種到天琴座去一個來回，在地球上呈現的時間只有1秒鐘，這就是利用了時空旅行的手段。 　　

□100年前，愛因斯坦提出了著名的狹義相對論，根據狹義相對論可以作出一些驚人的推斷，例如：如果人能夠以接近光速旅行，那麼時間對於他來說就會停滯。 　　從古代古希臘甚至更早的時候，人們就對時間進行了很多種思考，但是真正從科學上把時間和空間聯繫在一起，並提出一種時空理論，還是從1905年愛因斯坦的狹義相對論開始。他首次提出一個概念，時間和空間這兩者不是彼此無關的。比如說隨著人們運動狀態的變化，時間和空間在不同的參考系裡會有些可能以前沒有想到的變化，這種理論實際上給人們改變觀念里的樸素的那種時間永遠不變、空間永遠不變的看法，提供了科學的支持。 　　年輕的愛因斯坦最喜歡觀察樹林中的光影，在狹義相對論中，它的核心是光速恆定，它認為不論光源以多快的速度移動，也不論觀察者以多快的速度向什麼方向移動，光速永遠不變。所有的運動，甚至時間本身都必須與之相對應，由此愛因斯坦首次提出時間是相對的。 　　1971年，物理學家理查德·基廷和喬伊·哈夫勒將4個極為精確的原子鐘放在一架普通航行的飛機上，當飛行之後，這些原子鐘與放在地面的原子鐘相比，發現的確慢了59納秒。它不僅證明狹義相對論完全正確，也說明人們通過坐飛機來長壽，理論上是可行的，所不同的是效果太微弱了。 　　但是在粒子加速器里，狹義相對論所預言的時間膨脹的效應就不那麼微弱了，在美國長達40公里的粒子加速器，當次原子粒子穿越這個巨形裝置的時候，他們可以被加速到光速的90%以上，在這樣的速度下，時間的變化明顯出現了。正如狹義相對論計算所得出的，疾馳的粒子質量增加了，而在正常情況下壽命很短的粒子，存在時間大大增長。這證明對這些粒子來說，時間變慢了。 　　□對於時空旅行來說，廣義相對論出現後產生的最重要影響就是提供了允許回到過去的蟲洞理論。按照霍金對蟲洞的描述，它是溝通宇宙之間的細長的時空管道。 　　1915年，愛因斯坦更為深奧的廣義相對論問世，廣義相對論把引力、空間、時間這幾者聯繫起來，預言引力會使時空發生彎曲，就像保齡球壓在一張條格床單上，星體的質量會使周圍的時空發生翹曲。 　　1919年，人們通過觀察日食發生時星光的變化，發現太陽的引力的確會使星體的光線發生彎曲。　　對於時空旅行來說，廣義相對論出現後產生的最重要影響就是提供了允許回到過去的蟲洞理論。按照《時間簡史》中霍金對蟲洞的描述，它是溝通宇宙之間的細長的時空管道。雖然蟲洞被形象地描畫出來，但它其實只是一個數學模型。關於它的各種設想都可以被視為是對愛因斯坦引力場方程的不同的解答。1935年，愛因斯坦和羅森在論文中根據場方程推出的通道，被稱為愛因斯坦-羅森橋。在論文里這座橋是無法通過的，當宇宙飛船想通過橋的時候，橋就會斷裂。但1949年，奧地利數學家戈德爾通過計算髮現，其實在某些特定的情況下，橋不會斷裂，廣義相對論是允許人們可以回到過去的，這也令愛因斯坦非常吃驚。 　　

江曉原介紹說，既然時空在理論上已經被證明是可能的，那麼人們就會沿著理論的思路繼續探討，一個比較嚴重的問題是：如果我們能夠進行時空旅行，我們能夠回到過去的話，那麼我們就可能破壞因果律。物理學家最早設想的例子就是所謂祖母悖論，說你如果回到過去，遇見了你的祖母，你不慎害死了她，這樣你就無法出生了，不能出生當然就不會有你，既然你根本不存在，你怎麼可能去害死你祖母呢？這樣就構成一個悖論。 　　□平行宇宙根據霍金的解釋就是時間旅行者回到過去改變歷史後，時間線便出現了分叉，而分叉出來的時間線展開的是另一段歷史，祖母在另外的歷史中依然存在。 　　江曉原介紹說，平行宇宙理論最初是為了解決回到過去干預歷史導致對因果率的破壞而提出來的。但是現在人們也可以從某些物理學上找到一些微弱的支持。 　　量子理論是現代物理學家用來研究微觀原子世界的一套想法，它的核心觀念是大自然在微觀層次上是不連續的，這和牛頓經典力學的理論截然相反。1994年3月，牛津大學的大衛·多伊奇在《科學美國人》雜誌發表了論文《時間旅行的量子物理》，對時間旅行的物理上的可能性進行了闡述，他認為這種可能性是以量子力學的「多世界」理論為基礎的。在亞原子的世界裡，量子的不確定性佔主導地位，一個電子撞擊一個質子既可能轉向左邊也可能轉向右邊，而這種不確定性很可能造成了宇宙的多重性，根據「多世界」理論的解釋，宇宙從一開始起就有無窮多個平行的世界。 　　似乎有了平行宇宙的概念，時空旅行改變歷史的問題由此可以得到協調和解決，因此現在可以看到，在越來越多的描寫穿越時空的電影中，頻頻使用平行宇宙的觀點來修補出現的邏輯矛盾。而有了平行宇宙的概念，時間機器更可以大膽前進了。 　　江曉原認為，蟲洞是現在大家能夠想像到的進行時空旅行的最便捷的手段，理論上宇宙中可能存在某些蟲洞，但是我們現在沒有找到發現它的途徑，事實上沒有任何途徑發現過，只是在理論上說宇宙中是存在某些蟲洞的。如果我們適當地利用蟲洞，我們就有可能進行宇宙時空旅行。我們就有可能在一些不同的平行宇宙之間穿越。另外一條途徑是設想用人工來製造一個蟲洞，物理學家也已經對這個問題做過設想。這些設想已經模糊了科學和幻想的邊界，實際上它就是科學幻想和物理學的純理論探討的一個混合物，這種建造一個人為的蟲洞在物理學家的理論中是純粹的想像，目前沒有技術手段能夠達到。 　　時間旅行也許在下一代可以實現，也許永遠只是個夢想。 　　威爾斯則在《時間機器》的結尾這樣寫到：人們除了驚嘆別無選擇。

附錄：一、既然 「波粒二象性」能夠被證實，「穿越時空」應該也會實現。那時候可能不是 時空位置 的變換，卻僅僅是波動狀態的改變。 「波粒二象性」的概念：波粒二象性（wave-particle duality）是指某物質同時具備波的特質及粒子的特質。波粒二象性是量子力學中的一個重要概念。在經典力學中，研究對象總是被明確區分為兩類：波和粒子。前者的典型例子是光，後者則組成了我們常說的「物質」。1905年，愛因斯坦提出了光電效應的光量子解釋，人們開始意識到光波同時具有波和粒子的雙重性質。1924年，德布羅意提出「物質波」假說，認為和光一樣，一切物質都具有波粒二象性。根據這一假說，電子也會具有干涉和衍射等波動現象，這被後來的電子衍射試驗所證實。二、"為了解釋著名的「祖母悖論」,提出「平行宇宙」的概念，這就是霍金的「平行空間理論」： 時間旅行者回到過去改變歷史後，時間線便出現分杈，分杈的時間線展開的是另一段歷史。然而，如果我們能夠回到過去，就可能破壞因果規律。"別說是達到光速了~就連超音速飛機進行過載轉向飛行員都有可能因加速度而暈眩甚至死亡.玩過比較好的飛機模擬遊戲嗎?飛機快速地俯衝,飛行員出現「紅視」(就是眼前一片紅)當負荷載過高時產生紅視，以約2G加速度開始. 　　負加速度同正加速度相反，慣性力把血液從足部推向頭部，使頭部形成高血壓。飛行員會感覺戴上了一幅紅色眼鏡，周圍成了一片紅色世界，就是飛機改出後，飛行員腦仍會感到刺痛，臉脹，睜不開眼。在負3G時，有些人就可能出現紅視現象，負4G時，頭部青筋暴起，看一個東西會變成兩個，甚至什麼也看不見。負4.5G時，精神可能錯亂，甚至昏迷，常人只能忍受負3G5秒鐘，頭部和心臟的水平高度差越大,人越難受,也越容易出現紅視,紅視較黑視更危險，但飛行中劇烈的負加速度過荷比較少，因此紅視並不多見。 三、「恆星系或稱星系，是宇宙中龐大的星星的「島嶼」，它也是宇宙中最大、最美麗的天體系統之一。到目前為止，人們已在宇宙觀測到了約一千億個星系。它們中有的離我們較近，可以清楚地觀測到它們的結構；有的非常遙遠，目前所知最遠的星系離我們有將近一百五十億光年。」-----------引自百度百科之星系概念