来自星星的虫洞:时空旅行有多难

来源: 环球科学

发布日期: 2014-02-28

本文探讨了虫洞和时空旅行的可能性,分析了虫洞作为时空桥梁的困难,以及利用黑洞和接近光速的旅行作为时间旅行的替代方法。文章还提到了爱因斯坦的相对论和GPS系统对时间的影响,以及超大质量黑洞作为时间机器的潜力。

没有人真的见过虫洞,但这并不妨碍影视剧将其描述成时空旅行的通道,比如《来自星星的你》里,身为KMT184.05星人的都教授将虫洞变成了通往地球上爱人的“鹊桥”,甚至还蜷身其中,恢复了折损的元气。所谓的“虫洞”,是根据爱因斯坦相对论预测的、连接时空中两个不同地点的假想隧道,上面的三维图轮廓集中呈现了这一点:负能量将时间和空间拖入一条隧道入口,并在另一个宇宙出现。

英国物理学家史蒂芬·霍金曾经谈起过他对虫洞理论的解读。然而不幸的是,霍金不仅不赞成人类与外星人接触,他也极不看好虫洞作为任何形式的“时空桥梁”的能力,而这其中的困难,恐怕连有超能力的外星人也不好克服。物理学家也对时空隧道充满兴趣,但我们更关注的是,这隧道否存在于自然规律之中?我们给出的答案是正面的,并且还给它们起了一个名字:虫洞。

其实虫洞无处不在,它们存在于时空的隐蔽处和缝隙里,只是因为太小,我们肉眼看不到罢了。任何物质都不是平整无暇和实心的,如果仔细观察,会发现它们上面都存在小孔和裂缝,这是一个基本的物理原理,同样适用于时间。时间也存在许多微小的裂缝、褶皱和空洞。在最小的刻度下比分子甚至原子都小,我们来到一个称为量子泡沫(quantum foam)的地方,这是虫洞存在之处。

时空中的微小隧道不停地在这个量子世界中形成、消失和重新形成。它们可以连接两个隔离的空间以及两个不同的时间。不幸的是,现实生活中这种时光隧道非常狭小,即使发现了它们,我们也不能从这个缝隙穿过可这正是虫洞时间机器概念的前进方向。部分科学家认为,或许有一天捕捉到一个虫洞,将它放大数万亿倍,令其足够的大,能让人甚至飞船进入。如果我们拥有足够的能量和先进的技术,将来或许甚至能在太空中建造一个巨型虫洞。

我并不是说一定可以做到,但如果真的有这种装置,那么确实很了不起。一端在地球的附近,另一端则在遥远的星球附近。从理论上讲,虫洞或时光隧道不仅仅能把我们带到别的星球。如果两端在同一个地方,且由时间而非距离分离,在遥远的过去,飞船就能在地球附近自由出入。或许恐龙会看到飞船登陆的场景。然而虫洞本身就是一个问题:我认为像这样的虫洞不能存在,原因就是“反馈”。

如果你有到摇滚演唱会现场观看演出的经历,你可能会辨别出这种尖利的噪音。这就是反馈,引起反馈的原因很简单。声音进入麦克风,通过电线传播,经由扩音器令声音放大,在一个环状物内绕来绕去,每次令声音比上一次更大。如果没人阻止,反馈能够破坏音响系统。虫洞也会遇到这种问题,只不过声音换成了辐射。一旦虫洞变大,大自然的辐射物会进入,最终形成一个环路。反馈变得如此强劲,最终摧毁虫洞。

虽然微型虫洞确实存在,也有可能在某一天不断膨胀,但持续时间不会太长久,所以不能当作时间机器使用。不过,我确实对时间旅行深信不疑,对通向未来的时间旅行更是如此。时间就像河流,我们每一个人仿佛被时光的流动无情地卷走,只不过时光是另一种形式的河流以不同速度、在不同地点流动,这是通向未来的钥匙。一百多年前,爱因斯坦最早提出了这一概念。他认为,世上应该存在让时间慢下来的地方,以及让时间加速的地方。

他绝对是正确的,证据恰恰就在我们的头顶。这便是全球定位系统,简称GPS。一个卫星网络正在地球周围轨道运行,它们使得卫星导航成为可能,同时还表明时间在太空的运行速度快于在地球上。卫星导航系统必须为此做出矫正,否则,微小的差异就会扰乱整个系统,令地球上所有的全球定位系统每天都会出现大约6英里(约合9.7公里)的误差。你可以想象由此造成的后果。

钟表并不存在这样的问题,走得快是因为时间在太空比在地球运行快。造成这种非同寻常影响的原因是地球的质量。爱因斯坦发现,物质会减缓时间运行速度,就像是河的下游一样。物体越重,对时间的阻力越大。这种惊人的事实为通向未来的时间旅行开启了大门。恰恰在银河系中心,距离地球2.6万光年远的地方,拥有银河系中最重的天体:一个质量相当于四百万个太阳的超大质量黑洞,在自身引力作用下,它被压缩为一个点。

距离这个超大质量黑洞越近,遭遇的引力就越强。一旦距离其过近,连光线都无法逃脱,会被吞噬。这样的超大质量黑洞对时间具有显著的影响,令其减缓的速度远远超过银河系中的任何物体。这使得它是台天生的时间机器。我喜欢想象宇宙飞船如何能充分利用这种现象。如果某个航天机构正在控制从地球发射的探测器,他们会发现绕轨道运行一圈的时间为16分钟。对于飞船上的勇敢者来说,靠近这个超大质量物体,时间就会慢下来。

在这里,引力影响远比地球引力极端。机组人员的时间将会减慢一半。对于原本每圈要耗费的16分钟,他们其实仅经历了8分钟。想象一下,当飞船及机组人员绕这个黑洞运行五年时,别的地方已经过去了十年。当他们回到家乡,地球上的人比他们老了五岁。所以,超大质量黑洞就是一台时间机器,它不会因反馈走上自我毁灭之路。然而,通向未来之旅并非一路坦途。地球距离未来世界漫长无边,让我们距离未来非常遥远。

幸运的是,我们还有另一种时间旅行方式,这也是我们建造货真价实的时间机器最后、也是最大的希望。旅行速度必须超级快,甚至比避免被吸进黑洞所需要的速度还快。这是因另一个涉及宇宙的奇怪事实所致。宇宙中存在着速度限制,即每秒钟18.6万英里(约合30公里),亦称光速。任何物体不能超越这一速度。这也是科学界最成熟的理论原则之一。无论是否相信,以接近于光速的速度旅行可以将你送达未来世界。

要想理解这一点,我们可以想象一个具有科幻色彩的交通系统和一条遍布地球周围的轨道,为超高速火车准备的轨道。我们将利用这列想象出来的火车,尽可能地接近于光速,看它如何变成一台时间机器。列车上的乘客购买了通向未来的单程车票。火车开始加速,越来越快,不久开始绕地球一圈圈运行。达到光速意味着绕地球运行速度要飞快,比如每秒钟绕7圈。现在非同寻常的事情发生了。

列车上的时间相对于地球开始减缓,就如同靠近超大质量黑洞一样,而且有过之而无不及。列车上一切物体的活动都变慢。这是为了保护速度限制,原因并不难理解。想象一下这样的场景:2050年1月1日,一列火车离开车站,绕地球轨道一圈又一圈,直至100年以后,最终在2150年新年夜停下来。此时,乘客们在车上也只过了一周,因为身在火车上,时间过得非常慢。当他们离开火车,会发现一个完全不同于车上环境的世界。

在一周内,他们已经在通向未来的道路上前进了100年。当然,建造一列能达到这种速度的超高速火车的可能性微乎其微。不过,我们已经在位于瑞士日内瓦的世界最大的粒子加速器大型强子对撞机建造了这样的装置。大型强子对撞机位于瑞士和法国交界地下100米深处一条总长16英里(约合 25.75公里)的环形隧道内,一旦开足马力,这台对撞机能在瞬间从零加速至每小时6万英里(约合每小时9.7万公里)。

情况的确就那么简单,如果我们想踏上未来之旅,那么速度必须快。我认为实现这一目标的唯一途径是进入太空。在人类历史上,速度最快的载人飞船阿波罗10号,速度为每小时2.5万英里(约合每小时4万公里),但要实现在时间中旅行,我们的速度必须是阿波罗10号速度的2000倍。按照这种思路,我们应该先制造一个巨大的飞船,里面可以装载着巨量燃料,令其加速至接近于光速,在全负荷动力运行下,实现这一目标仍需要六年时间。

由于飞船如此的庞大和沉重,最初的加速度相对平缓。随着时间的推移,飞船速度非常快,不久即覆盖广大区域。一年以后,我们到达了系外行星。两年后,它的速度将达到光速的一半,距离太阳系越来越遥远,再过两年它可能会已经达到光速的90%。在发射四年后,飞船距离地球30万亿英里(约合4.8万亿公里)远,这意味着飞船将开始时间旅行,届时,它的速度接近于光速,在船上呆一天,相当于在地球上呆两天。

再经过另外两年全负荷动力飞行,飞船将到达其最高速度相当于光速的99%。在这一速度下,在船上呆一天,那就意味着在地球上度过一年的时间。飞船确实飞进了未来。时间变慢还有另一个优势,从理论上讲,这意味着我们一生当中可以跨越无尽的距离。

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