物理

如何建造時光機?

回到未來,到底可不可能?

撰文/戴維斯(Paul Davis,雪梨麥覺理大學澳洲天文生物學中心理論物理學家)
翻譯/陳義裕(美國加州理工學院物理博士、台灣大學物理系教授)

物理

如何建造時光機?

回到未來,到底可不可能?

撰文/戴維斯(Paul Davis,雪梨麥覺理大學澳洲天文生物學中心理論物理學家)
翻譯/陳義裕(美國加州理工學院物理博士、台灣大學物理系教授)

時光旅行,可能嗎?


自從威爾斯在1895年寫下《時光機器》這部膾炙人口的小說後,時光旅行就一直是科幻小說的流行主題。可是這真的造得出來嗎?我們真能造部機器把人傳送到過去或未來嗎?


在過去數十年中,時光旅行一直是和科學殿堂沾不上邊的,但近年來,這個話題已經開始在理論物理學家間發酵,其動機一部分是好玩,想一想時光旅行其實是蠻有趣的,但此研究也有它嚴肅的一面。了解因果關係,對於創製一統的物理理論是個關鍵。如果不受限的時光旅行竟成可能,甚或只是原理上行得通,則此一統理論的本質也會受到徹底的影響。


我們對時間的最佳認識是從愛因斯坦的相對論而來。在相對論問世前,一般認為時間是既絕對又普適,不論所處物理環境為何,它對每個人都一樣。在其狹義相對論中,愛因斯坦倡議,我們測到的兩個事件的時間間隔,會取決於觀察者如何運動。重要的一點是,做不同運動的兩位觀察者感受同樣兩個事件,這兩事件間流逝的時間並不相同。


相對論中的「時差」


這個效應通常是利用「孿生子佯謬」(twin paradox)來敘述。假設莎莉和山姆是孿生子。莎莉登上一艘火箭船以高速駛往鄰近的恆星,調個頭,然後飛回地球,而山姆則始終留守家園。就莎莉而言,這趟旅程也許耗時一年,可是當她回來踏出太空船時,會發現地球上已歷經10年了。她的兄弟已經比她老了九歲。莎莉和山姆這下就不再同歲數,雖然他們是同一天生的。這例子可說明其中一類有限制的時光旅行,實際上,莎莉已躍入九年後地球的未來。


每當兩個觀察者之間有相對運動時,這個叫作「時間膨脹」(time dilation)的效應就會發生。但在日常生活中,我們不會感受到這種奇異的時間扭曲,這是因為此效應只在運動接近光速時才顯著。就以飛機的速度來算,時間膨脹在一般的飛航旅程中也只有數奈秒而已,比起威爾斯那類的歷險來,根本是小巫見大巫了。然而,原子鐘的精準度確實能記錄這個時間差,並驗證時間真的會因運動而拉長。所以,到未來旅行是個已經證實的事情,雖然到目前為止,這麼小的量實在沒什麼好令人興奮的。


想看到真正顯著的時間扭曲,我們就必須突破日常經驗的藩籬。次原子粒子在大型加速器中便可推進到幾近光速,而當中的一部分粒子就有內在的鐘,例如緲子,因為它們有固定的半衰期。我們發現,加速器內快速運動的緲子的確是以慢動作在衰變,就如愛因斯坦理論所預言。某些宇宙射線也會經歷到很驚人的時間扭曲,這些粒子的運動速度太接近光速,以致從它們的觀點來看時,穿過宇宙只花了數分鐘,但是從地球的參考坐標系來看,它們似乎花了數萬年才辦到。如果時間扭曲沒發生,這些粒子早就會因衰變而永無到達之日。


建造蠹孔時光機器的三個步驟(不怎麼容易喔)

1.尋找或製造一個蠹孔︰這是連接空間中兩地點的一種隧道。大的蠹孔也許自然存在於太空深處,是大霹靂的遺跡。要不然我們就只好拿次原子蠹孔來充數。它們可能自然存在(有人說它們就在你我周遭不斷冒出又消失),或是人造的(譬如此處所想像,由粒子加速器製造)。這些小蠹孔必須放大到有用的大小,譬如用上類似大霹靂後讓空間膨脹的能量場。

2.使蠹孔穩定︰注入負能量,譬如利用開斯米效應(Casimir effect)等量子方式,使訊號或物體得以安全穿越蠹孔。蠹孔傾向於擠壓成一個密度無窮大或近乎無窮大的點,而負能量可對抗這個趨勢;換言之,它會避免蠹孔變成黑洞。

3.拖曳蠹孔︰假設有一艘具有高度先進科技的太空船,會將蠹孔的兩個口分開。其中一個開口或許可置放於中子星表面附近。中子星是極度緻密、有強大重力場的星球,此強重力場會使時間過得慢多了。由於時間在蠹孔的另一開口處過得較快,此兩開口便在空間及時間上都被分開來了。