《复仇者联盟4:终局之战》下映!但时间旅行真的可以实现吗?

2019年06月04日
缔造了约42亿的票房、接近1亿的观众人次……《复仇者联盟4:终局之战》以下简称《复联4》)日前在中国内地影院下线了,但是《复联4》的热度始终未曾减弱,有关影片的各种幕后花絮照仍然在网络上不断推陈出现……
复仇者联盟4:终局之战
穿越到灭霸打响指之前,阻止灭霸集齐六块原石并带回现代,这是超级英雄们挽回因灭霸打响指而逝去的生命的唯一方法。回到过去,改变过去,以实现自己想要的未来,几乎和长生不老一样令人向往,哪怕种种悖论也无法阻止人类的无限遐想……那么,就实际情况而言,时间旅行可以实现吗?
超高速飞船:面向未来的时间机器
包括斯蒂芬·霍金和基恩·索普在内的许多物理学家都认为,时间旅行并不违反现有物理定律。但像电影中所说的那样,借助“量子领域”回到过去并不科学。因为量子力学是研究微观领域的,跟宏观的时间和空间没有关系。想要找到时间旅行的理论依据,还要从爱因斯坦的相对论入手。
1905年,爱因斯坦提出狭义相对论。在此之前,科学家们相信时间和空间不受任何物质及运动的影响。在这种绝对时空观里,时间旅行不具备理论基础。但在狭义相对论诞生后,科学家惊讶地发现,时间和空间不再是绝对的概念,而是可以改变的,这就为时间旅行提供了可能性。
狭义相对论指出,时间流逝的速度与物体的运动速度成反比,即物体的运动速度越快,其时间流逝的速度就越慢。这样一来,超高速飞船就成为航向未来的时间机器。这里的超高速不是与飞机和火箭作比较,而是30万千米/秒的光速。计算表明,以光速的99.995%飞行10年,5年往外飞,5年往回飞,对于飞船上的宇航员来说,只过了10年;但当他回到地球时,地球上已经过了1000年。此时,他熟悉的一切都已荡然无存。飞船速度越快,能够抵达的未来也就越遥远。假如飞船以光速的99.99995%在宇宙中飞行10年,回到地球时,10000年就已经过去了。
实现近光速飞行面临着一个关键性的问题:飞船的燃料。现在的火箭都使用化学能,要使火箭推动的航天飞机达到光速的1/250,则所需化学燃料就会超过整个已知宇宙的总和。核聚变火箭的速度能够达到光速的1/20,若想要达到这个速度,则氢燃料的质量应为飞船的57倍;若想要达到光速的1/2,则飞船必须携带超过自身质量59000倍的氢燃料。由物质与反物质湮灭而形成的辐射具有比核聚变更高的动能。计算表明,1千克反物质燃料提供的能量和100千克的氢燃料相差无几,想把飞船加速到光速的99%,只需要13倍于飞船质量的反物质燃料。因此,从理论探讨到现实创造还有很远的路要走。人类对于时间旅行的幻想,就好比古人刚刚学会钻木取火,就幻想制造火药。
另外,狭义相对论为面向未来的时间旅行开启了大门,却没能为重返过去的时间旅行提供同样的理论可行性。在狭义相对论中,只有超光速的运动才可能导致时间倒流,回到过去。但狭义相对论成立的前提就是光速,30万千米/秒是我们这个宇宙的速度极限。在狭义相对论的时空体系里,没有任何已知的物理过程能够使物体进入超光速状态,也就是说没有时间旅行家可以重返过去。 
▲复仇者乘坐昆式战机穿梭于星球之间
虫洞:通往另一个时空的快捷隧道
如果时间机器存在,它真正独特的价值不在于面向未来,而在于重返过去。因为即使不乘坐超高速飞船,我们每一个人也在一分一秒地奔向未来。假设可以重返过去,那么重返过去的路又在哪里呢?
1915年,爱因斯坦发表了广义相对论。在广义相对论中,时间和空间依赖于物质的分布与运动。由此得出一个结论:时空在某种意义上就像流体一样会受到运动物质的拖曳,甚至连时间的方向都有可能因拖曳而改变。这种对时间方向的拖曳如此显著,以至于可以把未来的方向拖曳成过去的方向,甚至可以让不同的时间方向首尾相接,连成一条“闭合类时曲线”。如果你乘坐飞船沿这样的曲线作一次为期10年的旅行,那么在旅行结束时你不仅会回到飞船出发的地方,并且还会遇见10年前整装待发的自己。这就是我们渴盼已久的面向过去的时间机器。
▲时间旅行隧道
几十年来,物理学家们在广义相对论中陆续发现了一些“闭合类时曲线”的解。“闭合类时曲线”太过专业与拗口,有科学家给它起了一个通俗易懂的名字,这就是为读者所熟悉的“虫洞”。
在球体表面从一个点到另一个点需要走一条弧线,但如果有蛀虫在这两点之间蛀出了一个虫洞,那么通过虫洞就可以在这两点之间走直线,这显然要比原先的弧线近得多。把这个情景从球体表面推广到物理时空,就是物理学家们所说的“虫洞”。
▲可以缩短时间旅行距离的“虫洞”
诺贝尔物理学奖获得者基恩·索普和他的同事研究发现,“虫洞”不仅是空间旅行的通道,而且还可以作为时间旅行的工具。只要让“虫洞”的出入口以接近光速的速度作适当的运动,就可以将“虫洞”转变成时间机器。
“虫洞”其实有很多种类型,多数“虫洞”都极小,极不稳定,刚一出现就会消失。一个可穿越的“虫洞”,首先必须开放足够长的时间,而这需要“虫洞”中存在某种能量为负的奇特物质。
问题又出现了:有负能量的物质吗?答案是肯定的。1948年,荷兰物理学家卡什米尔就发现了负能量物质。真空中的量子涨落(在空间任意位置能量的暂时变化)具有能量,如果某种物质的能量低于周围空间的量子涨落能量,那么这种物质具有的能量就是负能量。不幸的是,人类目前能制造出来的负能量物质实在是太少了,根本无法维持“虫洞”的开放:维持一个“虫洞”所需的负能量几乎相当于一颗普通恒星在一年中释放出的全部能量。所以,“虫洞”这个面向过去的时间机器目前还只是停留在美好的科学幻想中。
时间旅行:祖父悖论与可以拯救的历史
暂且不管复仇者联盟的超级英雄们以何种方式回到过去——最终他们兵分三路回到了不同的时间和地点,去收集原石,防止它们落入灭霸之手。但新的问题马上出现了:既然他们回到过去带走了全部的六颗原石,那后来的灭霸又是从哪儿收集的原石?电影试图用“平行宇宙”来解释,但整个剧情始终没有讲清楚。
时间旅行的科学幻想固然美好,但种种悖论却有可能阻止时间旅行者的脚步。比如,著名的祖父悖论:假如你回到过去,在自己父亲出生前把自己的祖父母杀死,那你又是从哪儿来的?
斯蒂芬·霍金曾经提出这样一个问题:假如时间旅行是可能的,那么为什么在我们的周围至今都没有发现来自未来世界的时间旅行者呢?这个问题的潜台词是:时间旅行可能从来没有实现过。
许多物理学家思考了斯蒂芬·霍金的问题,并且提供了一种可能的回答:时间机器即使可以被建造出来,也不可能使时间旅行者回到时间机器建造之前。假如2200年有人建造出了时间机器,则时间旅行者只能访问2200年之后的年代,而无法来到2019年,更无法回到侏罗纪去看恐龙。物理学家格林说:“在时间机器建造成功之前的每一个年代,都将成为我们以及我们的子孙后代永远无法触及的历史。”即如果时间旅行是可能的,则早一天建造出时间机器就可以多拯救一天历史。
综上所述,我们可能会由于现实基础的缺乏和种种悖论而对时间旅行感到失望,但我们也应该认识到:研究时间旅行一个很重要的动机就是要探索物理定律的边界,探索物理定律如何解释最离奇的现象,即使最终证实时间旅行不能实现,我们也能从中收获很多。
来源:知识就是力量公众号
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