3383,,時間旅行是否是可能的？是否能在時間的長河中自由地往返？

時間旅行是否是可能的？是否能在時間的長河中自由地往返？這是每個人都會感興趣的話題。看看有多少科幻小說和科幻電影中出現了時間旅行的情節就能感受到人們對時間旅行熱衷的程度。我想對很多人來說，能回到過去看看，甚至比對能到太空中看看還感興趣。因為那實在是太有誘惑力了，能親自回到侏羅紀看看真正的恐龍，能親眼目睹導致恐龍滅絕的原因，如果真是行星或是彗星撞擊地球導致的話，那在衝擊波到來之前的最後一刻再乘坐時間機器返回安全地帶將是何等的刺激。我們還能親自看著埃及的金字塔是怎麼建起來的，看看到底有沒有個亞特蘭斯蒂帝國，它又是怎麼失足落水的。時間旅行能帶來的樂趣真是太多了，根本說不盡。娛樂業和旅遊業肯定又能大賺一筆啦，還可以創造無數個諸如時間機駕駛員、時姐（類似空姐）、時間導遊、時間交警、時間協管員、時間高速路收費站管理員這樣的就業機會。唯一可能會因此而下崗的大概就是歷史學家了，不需要再用洛陽鏟一小鏟一小鏟地挖出來，然後開始猜，最後得到一堆永遠無法十拿九穩的結論。直接乘坐時間機器回去看看，立馬明白得透透的。但我想即使面臨整個行業的集體下崗，歷史學家們也肯定狂熱地希望能真正回去看看，看看他們是否猜對了。　　說得這麼熱鬧，那麼時間旅行究竟是否可能呢？還是從眾所周知的相對論說起來吧。根據相對論，物體的運動速度越快，它的時間就過得越慢。這種時間的變慢可以很容易地由洛侖茲變換導出（圖1）：

　　在這裡，△t是慣性系S中一隻靜止的時鐘所走過的時間，△t"是相對於慣性系S以速度v運動的慣性系S"中一隻靜止的時鐘走過的時間。顯然，S"運動的速度v越接近光速c，則等式右邊的分母部分將越接近零，從而導致在S"中很少的一段時間流逝，在S中就已經流逝了很長一段時間。　　接下來，結合質能方程，我們還可以推導出物體運動的速度越快，質量就變得越大的公式（圖2）：

　　在這裡，m0是物體靜止的質量，mv是物質以速度v運動時的質量。顯然，物體的運動速度越快，它的質量就變得越大，當接近光速時，則會急劇增大。而我們知道，要增加物體的運動速度，也就是給物體加速，就必須給物體施加力，而隨著物體的速度接近光速，物體的質量將趨近於無窮大，這時無論給物體施加多大的力都無法再提升物體的速度。這也是愛因斯坦據此得出宇宙中任何物體的運動速度都不能超過光速這一結論的原因。唯一能夠達到光速的就是光本身。　　現代的粒子加速器可以把基本粒子加速到光速的99.999%，儘管其加速的還只是我們看不見的東西，但不管怎麼說，只要有足夠大的力就可以把大到可見的物體加速到十分接近光速的程度。假如我們研發出了能達到光速的99.999999999625%的宇宙飛船的話，則只要乘坐這艘飛船出去兜一天風，返回地球時，進入的就是1000年後的地球了。從這點來看，至少到未來的時間旅行是可以實現的，遲早我們會開發出夠勁的宇宙飛船，以近乎光速帶我們去兜風。不過如果這種朝向未來的時間旅行只能是單乘的話，我不知道有多少人會真正下定決心乘坐它去看看未來，畢竟等他看過未來後由於沒有返程的飛船，他將不得不永久性地留在1000年後的未來中，在那個時代中他將非常孤獨，因為他的親朋好友和所有認識的人都已經去世近千年了，而他所面臨的新世界對他這位古人來說將是難以適應的。　　因此，除非我們能將至過去的時間旅行一併實現，否則僅能至未來的單程的時間旅行的意義將大為縮水。旅行到原始森林是一回事，一輩子住在原始森林中就是另一回事了。　　那麼，我們能否旅行到過去呢？讓我們來看下面這樣一個例子，宇宙中的A處和B處相距5億4千萬公里，也就是光在30分鐘內所走過的距離。在A處和B處之間有一個蟲洞將A和B連接起來（圖3）。

　　一天，你乘坐彗星牌飛船從地球出發，行駛到A處後，你把飛船停了下來，走出飛船並鎖好飛船後，你從A處走進了蟲洞，由於通過蟲洞不需要花費時間（或只需花費很少的時間），因此，你會立即從B處的蟲洞中走出現。然後，你從兜里掏出望遠鏡觀察A處，起初什麼也沒有，過了大約半小時，你看到你自己從飛船上走下來，然後走進了A處的蟲洞。而這件事情對你來說已經是發生過的事情了，這意味著什麼？這意味著你看到了過去！看到了歷史！半個小時前的歷史！　　此情此景實在是太震撼了，以致你立刻失去理智地從B處再次進入蟲洞，試圖在蟲洞中會會你自己，當然，你什麼都沒有遇到，你只是再次從A 處的蟲洞中沖了出來，A處空無一人，除了你自己。如果你再次掏出望遠鏡觀察B處的話，大約半個小時後，你會發現一個傢伙正在B處舉著望遠鏡朝這邊望呢。　　這看似很神奇，其實沒什麼。這只是因為光速是有限的，而你抄近路跑在了光的前面，因此得以坐在那裡等待著看歷史。在這裡並沒有發生什麼時光倒流的事情，這和我們通常所理解的旅行到過去有本質的區別。　　那麼，時光是否能夠倒流呢？只有時光真正倒流了，我們才能真正回到過去，回到久已發生過的歷史中。超越光速是直覺上最可能實現時光倒流的方法，因為隨著物體的運動速度越快，它的時間就過得越慢，而當它達到光速時，時間將完全停止。光子是真正不會衰老的。那麼，假如真的存在某種方法能夠使物體的運動速度超越光速，那會發生什麼事情呢？　　從圖1中的公式我們可以看出，當v大於c時，根號下將出現負數，這使得△t"=△t×Ki，這裡的i是虛數符號，i2=-1。這意味著隨著靜止系統中時間的推移，以超光速運動的系統中的時間正在流出一個虛數值。虛數並不是負數，但虛數和負數很有淵源，因為虛數的平方是負數。如果△t"=-△t×K，那麼，隨著△t的增加，△t"是一個其絕對值在不斷增大的負數，這顯然是時間在倒流。然而，現在的△t"卻是一個其值在不斷增大的虛數，直覺上這也是時間在倒流，但卻是以一種略有不同的方式在倒流。　　暫且先不管這種倒流到底有何不同。首先，我們先要看看超越光速是否是可能的，如果超光速都搞不定的話，其他就更不用想了。好消息是超光速現象確實在試驗室中出現了，壞消息是這些超光速現象中沒有一個是能讓人徹底放心和完全符合老百姓標準的。以下是其中兩個有代表性的例子：　　中國旅美科學家王力軍與他的兩位同事於2000年做了一個實驗，用激光將通常為16種量子狀態下的銫原子置於僅一種量子狀態之下，組建了一個長6厘米的銫原子氣室。在氣室入口和出口分別放置了探測器，然後將一束持續時間3.7微秒的激光脈衝射向氣室。觀察到在氣室出口的探測器相比於真空狀況下提前62納秒測到了同樣形狀的光脈衝。這表明，強烈的反常色散使得脈衝頂在進入氣室之前就已離開了氣室。光脈衝在銫原子氣體中的群速度為光速的310倍。然而，雖然觀察到的激光脈衝波峰速度超過光速數百倍，但這並不意味著實現了信號的超光速傳播。光波是有長度的，只有波頭的傳播速度才可以算作是信號的傳播速度，作為波峰傳播速度的群速度不能用於計算信號傳播速度。群速度有可能超光速，但波頭的速度是始終超不過光速的。儘管37微秒的激光脈衝稍縱即逝，但它的長度其實達11.1公里，這條長長的「光龍」的主要信息在「龍頭」部位都可以找到，因此當「龍頭」進入銫原子氣室後，氣室中的銫原子氣就根據「龍頭」中的信息，在氣室另一端「複製」出激光脈衝的波峰及其脈衝的其他主要成分，這樣從觀測者看，激光脈衝波峰還沒有進入氣室就已經穿出氣室了，造成了「超光速」現象。　　量子隧道是一種量子力學效應，它允許一個粒子在以經典力學的眼光看尚缺乏足夠能量的情況下逃出一個勢壘。你可以計算一下這個粒子通過隧道的時間，所得到的答案將是它花費的時間少於光通過這段距離的時間。上世紀60年代，一群物理學家所執行的實驗似乎支持以量子隧道進行超光速通訊是可能的。他們聲稱以4.7倍光速的速度把莫扎特的第40交響曲傳輸通過了一個11.4cm的勢壘。他們的解釋，毫無疑問的，很有爭議。大多數的物理學家認為，這只是一個量子效應，而在量子效應中，由於海森堡不確定性原理事實上沒有信息能夠以超光速傳遞。在這裡，我想你大概會希望我解釋一下什麼是海森堡不確定性原理，為了預言一個粒子未來的位置和速度，人們必須能夠準確地測量它現在的位置和速度。顯而易見的辦法就是將光照到這個粒子上，一部分光波會被此粒子散射開來，由此指明它的位置。然而，人們不可能將粒子的位置確定到比光的兩個波峰之間距離更小的程度，所以必須用短波長的光來測量粒子的位置。而由於普朗克的量子假說，人們不能用任意少的光量，至少要用一個光量子。而這量子本身就會擾動這個粒子，並以一種不能預見的方式改變粒子的速度。而且，位置測量得越準確，所需的波長就越短，而波長越短的光波其單獨量子的能量就越大，這樣粒子的速度就被擾動得越厲害。換言之，你對粒子的位置測量得越準確，你對速度的測量就越不準確，反之亦然。海森堡不確定性原理是世界的一個基本的不可迴避的性質。　　可是，該怎麼去理解質量小於零呢，什麼東西的質量是小於零的？在圖2中我們可以看到，如果v大於c，則mv=（1/Ki）×m0，此時的mv已經變成虛數，虛質量很可能就是某種意義上的質量小於零。這種具有虛質量的粒子已經由美國物理學家范伯格（Feinberg）於1967年在理論上證明了其存在的可能，他把這種具有虛質量並能以超光速飛行的粒子命名為快子（tachyon）。我們可以做下面這樣一個看起來比較合理的假設：對於有質量的物體，沒有力作用於它時它是靜止的，通過給它一個推力，增大它的能量，可以提升它的速度，通過不斷對它施加力，可以讓它的速度無限接近光速；而對於有虛質量的物體，沒有力作用於它時它的速度是無限大，通過給它一個推力，增大它的能量，反而會降低它的速度，通過不斷地對它施加力，可以讓它的速度降低至無限接近光速。光速正是質量和虛質量之間的分水嶺。　　儘管目前還沒有捕獲到一個快子，但不妨讓我們假定范伯格的證明是正確的，而這種理論上存在的快子也是在宇宙中真實存在。終有一天，我們可以用具有虛質量的物質構造一台時間機器，也許最終完成的時間機器和虛質量並沒有關係，但我相信超光速旅行是可以實現的。要不為什麼要為我們準備這樣一個巨大的宇宙，如果我們連最近的恆星也去不了，那還要銀河系中其他4000億恆星做什麼，還要那1000億個星系有什麼意義，難道僅僅是讓我們欣賞它們那億萬年前的光輝。當然，宇宙如此巨大絕不是只為我們地球人準備的，我相信僅僅銀河系中就有上百萬個有智慧生命的星球。又難道宇宙是一個真正的孤獨者，喜歡一個魚缸中只養一條金魚，用巨大的距離來斷絕智慧生物之間的溝通和交流。如果宇宙是這樣的孤獨，又怎會造出地球這樣美到極致的蔚藍色的水晶般的星球，又怎麼會在地球上繁衍出數百萬種多姿多彩的生命，熙熙攘攘地熱鬧非凡。我堅信超光速飛行是終可以實現的。　　實現了超光速飛行，時間旅行大約也就可以實現了。但關於時間旅行，還有一些問題需要解決，首先就是時間旅行會導致能量守恆定律被破壞，如果你突然出現在歷史中，則將直接導致宇宙中在那個時刻的前後的總能量不一致，憑空多了一個你。儘管量子力學中允許物質在真空中憑空物化出現，量子可以從某個我們不知道的地方借來一點能量並把這點能量轉變成物質，以物質的形式出現。但量子必須迅速歸還這些能量，這使得以這種方式出現的粒子趨向於迅速地回歸為無影無蹤。概率指出那些小於原子的粒子對——一個正電荷、一個負電荷——是迄今為止最可能出現的作品，並且它們也僅會持續一個極為短暫的時間，典型的是10-21秒。自發出現的能穩定存在的如分子那麼大的東西幾乎是不可能的。要指望以這種方式創造出一個像你這麼大的傢伙，需要漫長的無法想像的時間，相比之下，宇宙的整個生命期都是微不足道的。　　此外，時間旅行還會導致一個著名的「祖父悖論」。我想你很可能已經聽說過這個悖論，就是說假如你回到你祖父小時候生活的年代，把你祖父殺死了，那麼，既然你祖父沒有了，自然你父親也就不會出生，那你自然也就根本不曾存在過，而既然你根本就沒有存在過，你又是如何返回到歷史中去殺死你的祖父的呢。更過分一些，如果你退回得更久遠，非常之久遠，一直遠至宇宙大爆炸之前，你發現了一個做工精緻的起爆器，你處於完全的無心或完全的有意，搞壞了這個起爆器，導致宇宙無法大爆炸了怎麼辦？那你的禍可真的就闖大了。宇宙可能會允許時間旅行，但卻絕不會允許因果論的破壞，因為那太危險了。　　我想這正是前面的△t"在超光速時會導致出現一個虛數值，而不是一個簡單的負值的原因。時間可以倒流，但卻是以一種略有不同的方式在倒流，以一種不會破壞因果論的方式來倒流。　　我的分析是，當通過超光速來進行時間旅行時，整個超光速系統所佔據的時空將發生彎曲，與正常前進的時空分離開來，繼續向後彎曲，直至彎曲到插入歷史的時空中，但當接觸並進入到歷史的時空後，超光速時空並不會和歷史的時空融合，而是始終像包裹著一層膜一樣獨立的存在於歷史的時空中（圖4）。

　　換句話說，超光速系統的內部時空和它所插入的歷史的時空並沒有任何接觸和融合，兩個時空仍然是完全獨立的，超光速系統的內部時空中的一切無法對歷史的時空中的一切做任何的影響和改變，因此，也就不會產生由於修改歷史所帶來的各種悖論。對於歷史的時空而言，超光速系統的時空是不存在的，不可見的（因為一旦可見，必然會導致改變）。而對於處於超光速系統中的人而言，由於他此刻相當於處於八維時空之中，自身的四維時空外加歷史的四維時空，因此，他就像一個處於四維空間的生物可以居高臨下的俯瞰三維空間中的一切，而三維空間中的生物卻看不到四維空間中的一切。當你站在盛唐的大街上，潮水般的人們無物般地穿過你的身體，你對他們來說不存在，他們也看不到你，你們處於不同的維度和時空，彼此之間不會有接觸。由於超光速時空在時空拓撲結構上仍然屬於它在超光速之前的那個時空，因此，就不存在能量守恆定律被破壞的問題。　　有一天，我們或許可以乘坐數千萬倍光速的飛行器旅行到宇宙的彼端，可以見識各個星系中各個星球上奇形怪狀又充滿好奇的外星生物，可以作為一個旁觀者靜靜地看著生命的演化，看宇宙中一切奇蹟的發生。
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