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吴中祥:时间旅行,可望而不可及的梦
http://tech.QQ.com  2007年09月21日09:59   科学时报  陈晨  评论0

吴中祥:时间旅行,可望而不可及的梦

吴中祥

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话题背景:近日,英国《每日电讯报》报道说,以色列工学院教授阿莫斯·奥里成功制造了一个时光机器的理论模型。人类是否能够驾御时间,从而自由地在时空中穿梭成为一个热点话题。

吴中祥 参加“两弹理论设计”,1980年获国家自然科学奖一等奖。1972年调中国科学院力学研究所,研制高能激光器、研究激光物理,为研究员。离休后,创建了“时空可变系多线矢世界”新理论体系,提出了一些新的物理理论和结果,是相对论、量子力学及其场论的新发展。

时间旅行是一种科学幻想活动,指人离开现在而置身于过去或未来。自近代科学奠基以来,时间旅行就一直是人们津津乐道的话题之一,各种幻想时间旅行的文学和影视作品层出不穷。然而,真正有意义的是学者们对时间旅行所作的科学范畴内的严格讨论。

时间旅行的理论依据

时间旅行的可能性在理论物理研究领域,一直很严肃地被探讨着。

众所周知,迄今为止人类在空间与时间上获得的自由度是很不相同的。我们可以沿空间各方向自由地运动,却无法随意地驾驭时间。时间就像一条漫漫长河,世间万物仿佛是河里的漂浮物,只能随波逐流。我们知道,在牛顿的时空观里,时间虽是空间各分量的函数,但是它与参照系的运动无关,不受参照系运动的影响,即所谓“绝对时间”。很明显,在这样的绝对时空观里,时间旅行不具有理论基础,它的存在只是一种幻想。

但是狭义相对论的提出,对牛顿的绝对时空观产生了一次重大变革。在狭义相对论中,时间还是作为参照系与空间的3维正交的另外1维,而与参照系的运动密切有关。时间不再是绝对的概念,这已经被物理实验所证实。但是,由此却产生了认为在运动的参照系中时间的流逝会变慢——这个著名的时间延缓效应的误解,将狭义相对论的这种新结果,误认为给时间旅行开启了一种具有理论依据的可能性。

在狭义相对论诞生10年后,爱因斯坦提出了广义相对论。在广义相对论中,时间和空间不仅如狭义相对论中一样与参照系的选择密切相关,而且还有赖于物质的分布与运动。由此产生的一个不同于狭义相对论的重要结果是:它表明时空在某种意义上就会像流体一样,在引力的作用下,受到运动物质的拖曳,而弯曲、改变。我们的“未来”还会受到物质相互作用和运动的影响。在不同时刻、不同地点,“未来”有可能指向不同的方向,这是一个奇妙的结果。

笔者认为,广义相对论的“三大验证”(水星近日点的进动、光子在引力场中的频率红移和偏折)等事实已经证实:由于存在相互作用力,在非惯性牵引运动系之间,相应的时空的确会产生相应的弯曲特性。2004年10月,由各国科学家和大学研究人员组成的研究小组,观察了绕地球旋转的两颗卫星(LAGEOS 1和2)后,首次发现了地球自转时拖曳周围时空、“地球在旋转时确实在拖曳时空,离地球越近,扭曲的幅度就越大”,从而得到了地球引力引起时空的弯曲特性的直接证据。

与时间旅行相关的理论发现

1949年,著名逻辑学家哥德尔在广义相对论中发现了一个非常奇特的解,描述一个整体旋转的宇宙——哥德尔宇宙。在这种宇宙中,物质的旋转对时间方向会产生拖曳作用, 离旋转中心越远,拖曳作用就越显著。在足够远的地方,拖曳作用足以形成闭合类时曲线。因此,在哥德尔宇宙中只要让飞船沿某些远离旋转中心的轨道运动,原则上就可以实现时间旅行。

可惜的是,哥德尔宇宙并不符合天文观测。首先,我们所生活的宇宙并不存在整体的旋转;其次,在哥德尔宇宙中宇宙学常数是负的,而我们观测到的宇宙学常数却是正的。因此,哥德尔宇宙对于时间旅行并无现实意义。

哥德尔宇宙虽然没有现实意义,但它的发现表明广义相对论的确允许闭合类时曲线的存在。自那以后,物理学家们在广义相对论中又陆续发现了其他一些允许闭合类时曲线的解。1991年,普林斯顿大学的天体物理学家高特(J. R. Gott)发现两条无限长的平行宇宙弦以接近光速的速度彼此擦身而过时,也会在周围形成闭合类时曲线。虽然宇宙弦的存在还没有明确的实验证据,但它是许多前沿物理理论所预言的东西。因此,高特的结果把时光机器在理论上的可能性又推进了一步。但是,高特为了数学上的便利引进了无限长的物质分布,这在现实世界中是不可能严格实现的。

1988年,加州理工学院的物理学家索恩(K. S. Thorne) 与莫里斯(M. Morris)等在研究可穿越虫洞时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。虫洞提供一条贯通空间中彼此相距很远的两点之间的捷径。跳过一个假想的虫洞,你可能会在片刻之后出现于银河系的另一端。虫洞自然地符合广义相对论,凭借引力,不仅可以使空间弯曲,而且还能让时间发生扭曲。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光机器。

最近被媒体火热报道的阿莫斯·奥里教授的时光机器理论模型是根据爱因斯坦关于时空会被引力扭曲的理论,以一系列数学等式,描述了一系列的假设条件,使得在时空中的时间能够达到足够大的扭曲程度直到弯曲成环状,于是产生了时间旅行的可能性。不过,奥里教授也无法预测现实的时光机器在什么时候问世或者能否问世。他说:“还有一些问题没有解决。”

反对时间旅行的声音

关于时间旅行,虽然有许多科学家进行了孜孜不倦的研究,并提出了大量理论依据加以引证,但是学界仍存在大量反对意见。

早在1990年,英国著名物理学家霍金教授就断定:“物理规则不允许时光机器的产生。”1992年,霍金干脆提出了著名的时序保护假设 (Chronology Protection Conjecture),认为自然定律不会允许建造时光机器。霍金认为时光机器从逻辑上来说违反了因果律,所以它是不可能存在的。霍金曾经问过这样一个问题:假如时间旅行是可能的,为什么在我们的周围至今尚未充斥着来自未来世界的时间旅行者呢?这个问题的潜台词是:时间旅行者没有来到我们周围,最有可能的原因是时间旅行在整个时间长河中,都没有实现过。当然,霍金并没有把这样的问题当做是对时光机器的一个认真的理论诘难。

笔者本人对时间旅行的可能性也不甚乐观。虽然时空在受到引力作用时会产生弯曲的事实已经得到科学验证,但是由于时空的弯曲,通常不变系的矢量已不适用,而广义相对论就只能放弃矢量。采用曲线坐标,直接表达时空的位置和相应导出的各物理量,但却带来一系列困难和问题,不能由简明的矢算演绎地推导表达有关的物理问题。甚至广义相对论最基本的爱因斯坦场方程,也只能由对度规张量的适当推测而得到。这也就给后来者对该理论的一些误解留下了空间。

笔者通过自己所创建的时空可变系多线矢理论体系,进行具体分析,认为最近出现的奥里教授的时光机器模型是通过描述了一系列的假设条件,想要使得时空能弯曲到他所希望的环状,但这也只是基于对相对论的错误解读产生的误判。这样的时空环是不可能实现的。

笔者认为,目前还没有一种看似绝对可行的时间旅行理论,却也没有谁真正证明时间旅行是不可能实现的。特别是由于我们目前对时空的了解程度还非常有限,断然否认时间旅行的存在也是不明智的。因此,对于时间旅行来说,无论是证实还是证伪都仿佛遥不可及。

不过,即使在当前的物理理论体系中,时间旅行似乎还只是一个可望而不可及的梦想,但它至少表达了人们对自然与人生的美好愿望,同时也积极地推动人类对真理的追寻。(本报见习记者 陈晨/采访整理)

[责任编辑:joeyjiang]

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