天文太空

來去時間旅行

前往未來,如今已證實可行。但要回到過去,那就麻煩多了,光是弄出個蟲洞就夠複雜了,還要看看宇宙本身同不同意這種「逆向行駛」。

撰文/佛爾吉(Tim Folger)
翻譯/陳義裕

天文太空

來去時間旅行

前往未來,如今已證實可行。但要回到過去,那就麻煩多了,光是弄出個蟲洞就夠複雜了,還要看看宇宙本身同不同意這種「逆向行駛」。

撰文/佛爾吉(Tim Folger)
翻譯/陳義裕


《時光機器》是威爾斯(H. G. Wells)在1895年發表的第一部小說,數年後,主導物理學界已長達200年的牛頓世代告終。愛因斯坦在1905年發表狹義相對論,牛頓擺出來的蘋果攤就這樣給掀了。但對威爾斯來說,他或許會因此竊喜,因為旅行到未來,這件在牛頓定律中不容許的事,頓時成了可能。在牛頓的宇宙中,時間的流逝是恆定的,不管何時、不論何處,它既快不上去、也慢不下來。但對愛因斯坦來說,時間是相對的。


時間旅行不僅可能,而且已經發生了,只是和威爾斯原先設想的有些許不同。根據美國普林斯頓大學天文物理學家戈特(J. Richard Gott)的說法,到目前為止,時間旅行的紀錄保持人是克里卡洛夫(Sergei K. Krikalev)。這位俄國太空人的漫長事業始於1985年,他這輩子待在太空的時間超過803天。(譯註:此紀錄已在今年9月8日由另一位俄國太空人帕達卡(Gennady Padalka)的879天打破。)根據愛因斯坦的理論,運動中物體所經歷的時間會比靜止時慢,所以當克里卡洛夫隨著和平號(Mir)太空站,在軌道上以時速2萬7000公里呼嘯而過,對他而言,時間流逝的速率與待在地球上有所不同。他在整個軌道上老化的程度比在地球上的夥伴少了1/48秒。從另一觀點來說,他已經往未來進行了1/48秒的時間旅行。


當距離更長、速度更快時,這個時間旅行的效應就更容易看出來。如果克里卡洛夫往返距離地球520光年遠的獵戶座參宿四,並在2015年飛離地球,而且速度是光速的99.995%,那麼當他回到地球時只會老10歲。可憐的是,所有他認識的人早已不在世上,因為地球已過了1000年,這時已是3015年!於是戈特說:「要旅行到未來,任何人都知道這絕對辦得到,問題只在於財力和工程能否配合。」


要往前跳一奈秒或達數個世紀,相對簡單,雖然在實作上挑戰性頗高;可是要回到過去,這就難上加難了。愛因斯坦原先提出的狹義相對論禁止這件事發生。經過10年磨劍,愛因斯坦揭櫫了廣義相對論,這件事似乎辦得到了。但想真的回到過去,這可是個惱人的問題,因為廣義相對論的方程式有許多的解,不同的解會賦予宇宙不同的性質,只有特別的解才有辦法創造出正確的條件,從而允許我們回到過去。


至於這類的解能否用來描述我們自己的宇宙?這更是個開放性的問題,因而衍生出更多深遠的研究。例如,究竟要扭曲多少基礎物理學才能容許我們回到過去?即使愛因斯坦的方程式未將之排除,宇宙本身也許另有法門去防止這類旅程的發生。物理學家對此持續臆測,但並不是因為他們認定時間旅行在實務上可行,而是在思考這些可能性時,可以帶出一些我們宇宙的驚人本質,其中或許還包括了宇宙如何變成現在這個模樣。


愛因斯坦的狹義相對論讓時間的流逝可以變慢,這一定讓威爾斯得意不已,因為他早在19世紀就深信我們的宇宙是由三維空間與一維時間交織成一整體的四維時空。愛因斯坦透過探索兩個基本概念提出革命性的結果:首先,雖然所有運動都是相對的,但物理定律在宇宙中任何地方、從任何人來看都一樣;其次,從任何面向來看,光速一定不變,因為既然任何人都看到相同的物理定律在運作,他們測量光速時必然會獲致相同結果。


為了能使光速維持恆常性、而且是速度上限,愛因斯坦只得拋棄大家習以為常的兩個概念:對所有觀察者來說,長度的測量值以及時間流逝的快慢不再是一致的。他證明出,運動中的時鐘以高速通過靜止的某人時,該時鐘滴答的速率會比此人身邊靜止的時鐘慢;呼嘯而過的一把尺,長度也會變短。而有另一個人,帶著時鐘和尺以相同高速運動,對此人來說,時間的流逝和尺的長度卻毫無異樣。


在日常速度下,狹義相對論這種時空扭曲的效應可以忽略,但任何東西的速度一旦快到與光速不相上下,此效應可是確確實實存在。例如,眾多實驗都已驗證,一種稱為緲子(muon)的不穩定粒子,衰變率在速度接近光速時可以減緩一個數量級。這些高速的緲子就像小小的時間旅行者,它們是次原子尺度中的克里卡洛夫,一起往未來跳了數微秒。


哥德爾的旋轉宇宙


這些高速運動的時鐘、尺以及緲子都在往未來飛躍。那麼可以把它們送往過去嗎?哥德爾(Kurt Godel)率先利用廣義相對論描述一個可以讓人回到過去的宇宙,他創建的「不完備定理」把數學的可證性與不可證性劃出一道界線。他是20世紀數學界的巨人,還是怪人中的怪人,他有諸多搞怪行徑,例如喝嬰兒奶粉和吃瀉藥。


哥德爾把他的模型宇宙獻給愛因斯坦,做為愛因斯坦的70歲生日賀禮。哥德爾所描述的宇宙有兩個獨特性質:帶有轉動,可以提供離心力,避免宇宙中所有物質因為重力而全部擠壓在一起,這也滿足愛因斯坦對於靜態宇宙模型的要求;可是,它還允許我們回到過去,這就讓愛因斯坦相當不安。在哥德爾的宇宙中,太空旅行者出發之後,有機會回到他們過去的某一刻,這有點像是旅行者沿著巨大的圓柱表面走了完整一圈,物理學家把這種時空中的軌跡稱為「封閉類時曲線」。


封閉類時曲線在時空中會繞一圈接回原點。在哥德爾的旋轉宇宙中,這樣的一條曲線會繞過整個宇宙一圈,這很像地球表面上的緯度線。(譯註:此處若用「經度線」比喻,會比原文用緯度線適切。)物理學家已找到幾類的封閉類時曲線,至少在理論上是找到了。不過,沿著這類曲線旅行會讓你悵然若失,因為它平凡無奇:往太空艙的窗外望,你看到的是同樣的星星和行星,反正就是外太空那副模樣。更重要的是,你自己測到的時間,仍是滴答滴答往前正常地流逝,雖然你正朝著時空中過去所對應的一個位置,旅行到過去,但時鐘上的指針不會因此往反方向轉。


英國獨立理論物理學家巴伯(Julian Barbour)說:「愛因斯坦早在1914年就注意到封閉類時曲線的可能性。」愛因斯坦曾說:「我的直覺強烈反對這種事。」這種曲線的存在會衍生出各種因果問題,例如,既然過去已經發生了,如何能改變它?還有那老掉牙的祖父弔詭:如果祖父在遇見祖母之前就被時間旅行者給殺了,那時間旅行者自己會發生什麼事?失心瘋的他還會被生下來嗎?


因果律的擁護者有福了,因為天文學家找不到宇宙是在轉動中的證據。哥德爾本人顯然曾遍尋星圖,看能否從中找到支持其理論的蛛絲馬跡。哥德爾的宇宙或許不是一個很真實的宇宙模型,但至少他證明了封閉類時曲線和廣義相對論的方程式是完全相容的,「回到過去」這件事無法經由物理定律排除。


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