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《復仇者聯盟4:終局之戰》下映!但時間旅行真的可以實現嗎?

2019年06月04日
締造了約42億的票房、接近1億的觀眾人次……《復仇者聯盟4:終局之戰》以下簡稱《復聯4》)日前在中國內地影院下線了,但是《復聯4》的熱度始終未曾減弱,有關影片的各種幕后花絮照仍然在網絡上不斷推陳出現……
復仇者聯盟4:終局之戰
穿越到滅霸打響指之前,阻止滅霸集齊六塊原石并帶回現代,這是超級英雄們挽回因滅霸打響指而逝去的生命的唯一方法。回到過去,改變過去,以實現自己想要的未來,幾乎和長生不老一樣令人向往,哪怕種種悖論也無法阻止人類的無限遐想……那么,就實際情況而言,時間旅行可以實現嗎?
超高速飛船:面向未來的時間機器
包括斯蒂芬·霍金和基恩·索普在內的許多物理學家都認為,時間旅行并不違反現有物理定律。但像電影中所說的那樣,借助“量子領域”回到過去并不科學。因為量子力學是研究微觀領域的,跟宏觀的時間和空間沒有關系。想要找到時間旅行的理論依據,還要從愛因斯坦的相對論入手。
1905年,愛因斯坦提出狹義相對論。在此之前,科學家們相信時間和空間不受任何物質及運動的影響。在這種絕對時空觀里,時間旅行不具備理論基礎。但在狹義相對論誕生后,科學家驚訝地發現,時間和空間不再是絕對的概念,而是可以改變的,這就為時間旅行提供了可能性。
狹義相對論指出,時間流逝的速度與物體的運動速度成反比,即物體的運動速度越快,其時間流逝的速度就越慢。這樣一來,超高速飛船就成為航向未來的時間機器。這里的超高速不是與飛機和火箭作比較,而是30萬千米/秒的光速。計算表明,以光速的99.995%飛行10年,5年往外飛,5年往回飛,對于飛船上的宇航員來說,只過了10年;但當他回到地球時,地球上已經過了1000年。此時,他熟悉的一切都已蕩然無存。飛船速度越快,能夠抵達的未來也就越遙遠。假如飛船以光速的99.99995%在宇宙中飛行10年,回到地球時,10000年就已經過去了。
實現近光速飛行面臨著一個關鍵性的問題:飛船的燃料。現在的火箭都使用化學能,要使火箭推動的航天飛機達到光速的1/250,則所需化學燃料就會超過整個已知宇宙的總和。核聚變火箭的速度能夠達到光速的1/20,若想要達到這個速度,則氫燃料的質量應為飛船的57倍;若想要達到光速的1/2,則飛船必須攜帶超過自身質量59000倍的氫燃料。由物質與反物質湮滅而形成的輻射具有比核聚變更高的動能。計算表明,1千克反物質燃料提供的能量和100千克的氫燃料相差無幾,想把飛船加速到光速的99%,只需要13倍于飛船質量的反物質燃料。因此,從理論探討到現實創造還有很遠的路要走。人類對于時間旅行的幻想,就好比古人剛剛學會鉆木取火,就幻想制造火藥。
另外,狹義相對論為面向未來的時間旅行開啟了大門,卻沒能為重返過去的時間旅行提供同樣的理論可行性。在狹義相對論中,只有超光速的運動才可能導致時間倒流,回到過去。但狹義相對論成立的前提就是光速,30萬千米/秒是我們這個宇宙的速度極限。在狹義相對論的時空體系里,沒有任何已知的物理過程能夠使物體進入超光速狀態,也就是說沒有時間旅行家可以重返過去。 
▲復仇者乘坐昆式戰機穿梭于星球之間
蟲洞:通往另一個時空的快捷隧道
如果時間機器存在,它真正獨特的價值不在于面向未來,而在于重返過去。因為即使不乘坐超高速飛船,我們每一個人也在一分一秒地奔向未來。假設可以重返過去,那么重返過去的路又在哪里呢?
1915年,愛因斯坦發表了廣義相對論。在廣義相對論中,時間和空間依賴于物質的分布與運動。由此得出一個結論:時空在某種意義上就像流體一樣會受到運動物質的拖曳,甚至連時間的方向都有可能因拖曳而改變。這種對時間方向的拖曳如此顯著,以至于可以把未來的方向拖曳成過去的方向,甚至可以讓不同的時間方向首尾相接,連成一條“閉合類時曲線”。如果你乘坐飛船沿這樣的曲線作一次為期10年的旅行,那么在旅行結束時你不僅會回到飛船出發的地方,并且還會遇見10年前整裝待發的自己。這就是我們渴盼已久的面向過去的時間機器。
▲時間旅行隧道
幾十年來,物理學家們在廣義相對論中陸續發現了一些“閉合類時曲線”的解。“閉合類時曲線”太過專業與拗口,有科學家給它起了一個通俗易懂的名字,這就是為讀者所熟悉的“蟲洞”。
在球體表面從一個點到另一個點需要走一條弧線,但如果有蛀蟲在這兩點之間蛀出了一個蟲洞,那么通過蟲洞就可以在這兩點之間走直線,這顯然要比原先的弧線近得多。把這個情景從球體表面推廣到物理時空,就是物理學家們所說的“蟲洞”。
▲可以縮短時間旅行距離的“蟲洞”
諾貝爾物理學獎獲得者基恩·索普和他的同事研究發現,“蟲洞”不僅是空間旅行的通道,而且還可以作為時間旅行的工具。只要讓“蟲洞”的出入口以接近光速的速度作適當的運動,就可以將“蟲洞”轉變成時間機器。
“蟲洞”其實有很多種類型,多數“蟲洞”都極小,極不穩定,剛一出現就會消失。一個可穿越的“蟲洞”,首先必須開放足夠長的時間,而這需要“蟲洞”中存在某種能量為負的奇特物質。
問題又出現了:有負能量的物質嗎?答案是肯定的。1948年,荷蘭物理學家卡什米爾就發現了負能量物質。真空中的量子漲落(在空間任意位置能量的暫時變化)具有能量,如果某種物質的能量低于周圍空間的量子漲落能量,那么這種物質具有的能量就是負能量。不幸的是,人類目前能制造出來的負能量物質實在是太少了,根本無法維持“蟲洞”的開放:維持一個“蟲洞”所需的負能量幾乎相當于一顆普通恒星在一年中釋放出的全部能量。所以,“蟲洞”這個面向過去的時間機器目前還只是停留在美好的科學幻想中。
時間旅行:祖父悖論與可以拯救的歷史
暫且不管復仇者聯盟的超級英雄們以何種方式回到過去——最終他們兵分三路回到了不同的時間和地點,去收集原石,防止它們落入滅霸之手。但新的問題馬上出現了:既然他們回到過去帶走了全部的六顆原石,那后來的滅霸又是從哪兒收集的原石?電影試圖用“平行宇宙”來解釋,但整個劇情始終沒有講清楚。
時間旅行的科學幻想固然美好,但種種悖論卻有可能阻止時間旅行者的腳步。比如,著名的祖父悖論:假如你回到過去,在自己父親出生前把自己的祖父母殺死,那你又是從哪兒來的?
斯蒂芬·霍金曾經提出這樣一個問題:假如時間旅行是可能的,那么為什么在我們的周圍至今都沒有發現來自未來世界的時間旅行者呢?這個問題的潛臺詞是:時間旅行可能從來沒有實現過。
許多物理學家思考了斯蒂芬·霍金的問題,并且提供了一種可能的回答:時間機器即使可以被建造出來,也不可能使時間旅行者回到時間機器建造之前。假如2200年有人建造出了時間機器,則時間旅行者只能訪問2200年之后的年代,而無法來到2019年,更無法回到侏羅紀去看恐龍。物理學家格林說:“在時間機器建造成功之前的每一個年代,都將成為我們以及我們的子孫后代永遠無法觸及的歷史。”即如果時間旅行是可能的,則早一天建造出時間機器就可以多拯救一天歷史。
綜上所述,我們可能會由于現實基礎的缺乏和種種悖論而對時間旅行感到失望,但我們也應該認識到:研究時間旅行一個很重要的動機就是要探索物理定律的邊界,探索物理定律如何解釋最離奇的現象,即使最終證實時間旅行不能實現,我們也能從中收獲很多。
來源:知識就是力量公眾號
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