廣義相對(duì)論與時(shí)間旅行

　　廣義相對(duì)論與時(shí)間旅行
　　一九四九年， 著名邏輯學(xué)家哥德爾 (K. Gödel) 在廣義相對(duì)論中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常奇特的解， 描述一個(gè)整體旋轉(zhuǎn)的宇宙 - 哥德爾宇宙。 在這種宇宙中， 物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)對(duì)時(shí)間方向會(huì)產(chǎn)生拖曳作用， 離旋轉(zhuǎn)中心越遠(yuǎn)， 拖曳作用就越顯著。 在足夠遠(yuǎn)的地方， 拖曳作用足以形成閉合類時(shí)曲線。 因此在哥德爾宇宙中只要讓飛船沿某些遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心的軌道運(yùn)動(dòng)， 原則上就可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間旅行。 哥德爾這位曾經(jīng)以不完全性定理震撼整個(gè)數(shù)學(xué)界的邏輯學(xué)家， 又用他的旋轉(zhuǎn)宇宙震動(dòng)了包括愛因斯坦本人在內(nèi)的許多物理學(xué)家。
　　可惜的是， 哥德爾宇宙并不符合天文觀測(cè)。 首先， 我們所生活的宇宙并不存在整體的旋轉(zhuǎn)[注四]； 其次， 在哥德爾宇宙中宇宙學(xué)常數(shù)是負(fù)的， 而我們觀測(cè)到的宇宙學(xué)常數(shù)卻是正的。 因此我們所生活的宇宙顯然不是哥德爾宇宙。 定量的計(jì)算還表明， 即便我們真的生活在一個(gè)哥德爾宇宙中， 也很難實(shí)現(xiàn)時(shí)間旅行， 因?yàn)檠馗绲聽栍钪?a href="http://www./Item/112047.aspx">中的閉合類時(shí)曲線運(yùn)行一周所需的時(shí)間與宇宙的物質(zhì)密度有關(guān)， 對(duì)于我們所觀測(cè)到的密度而言， 沿閉合類時(shí)曲線運(yùn)行一周起碼需要幾百億年的時(shí)間。 因此哥德爾宇宙對(duì)于時(shí)間旅行并無現(xiàn)實(shí)意義。
　　哥德爾宇宙雖然沒有現(xiàn)實(shí)意義， 但它的發(fā)現(xiàn)表明廣義相對(duì)論的確允許閉合類時(shí)曲線的存在， 這本身就是一個(gè)鼓舞人心的結(jié)果。 自那以后， 物理學(xué)家們?cè)趶V義相對(duì)論中又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了其它一些允許閉合類時(shí)曲線的解。 一九七四年， 美國(guó)圖蘭大學(xué) (Tulane University) 的物理學(xué)家梯普勒 (F. J. Tipler) 研究了一個(gè)無限長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)柱體外部的時(shí)空[注五]， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)只要旋轉(zhuǎn)速度足夠快， 這樣的柱體對(duì)外部時(shí)空所起的拖曳作用也足以形成閉合類時(shí)曲線。 一九九一年， 普林斯頓大學(xué)的天體物理學(xué)家高特 (J. R. Gott) 發(fā)現(xiàn)兩條無限長(zhǎng)的平行宇宙弦以接近光速的速度彼此擦身而過時(shí)， 也會(huì)在周圍形成閉合類時(shí)曲線。 與梯普勒人為引進(jìn)的旋轉(zhuǎn)柱體不同的是， 宇宙弦的存在雖然還沒有明確的實(shí)驗(yàn)證據(jù)， 但它是許多前沿物理理論所預(yù)言的東西。 因此高特的結(jié)果把時(shí)間機(jī)器在理論上的可能性又推進(jìn)了一步。
　　但是梯普勒與高特為了數(shù)學(xué)上的便利都引進(jìn)了無限長(zhǎng)的物質(zhì)分布， 這在現(xiàn)實(shí)世界中是不可能嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)的。 假如物質(zhì)的分布不是無限的， 還可以得到類似的結(jié)果嗎？ 物理學(xué)家們對(duì)此也做了研究。 一九九二年， 著名物理學(xué)家霍金 (S. Hawking) 給出了一個(gè)令人沮喪的結(jié)果， 那就是如果能量密度處處非負(fù)， 那么在任何有限時(shí)空區(qū)域內(nèi)建造時(shí)間機(jī)器的努力都會(huì)產(chǎn)生物理學(xué)家們最不想看到的東西 - 時(shí)空奇點(diǎn)[注六]。 時(shí)空奇點(diǎn)對(duì)于研究廣義相對(duì)論的人來說并不陌生， 它具有一系列令人頭疼的性質(zhì)， 比如物質(zhì)的密度發(fā)散， 時(shí)空的曲率發(fā)散， 等[注七]。 雖然沒有人確切知道時(shí)空奇點(diǎn)的出現(xiàn)會(huì)對(duì)時(shí)間旅行產(chǎn)生什么影響， 但這種影響有可能是兇多吉少。
　　這些結(jié)果對(duì)于建造時(shí)間機(jī)器無疑是壞消息， 但細(xì)心的讀者也許已經(jīng)注意到， 在上面的結(jié)果中有一個(gè)限制條件， 那就是 “能量密度處處非負(fù)”。 這個(gè)條件粗看起來是非常合理的， 但我們?cè)诒疚牡逆⒚闷?蟲洞: 旅行家的天堂還是探險(xiǎn)者的地獄？ 中已經(jīng)看到， 負(fù)能量物質(zhì)的存在不僅在理論上是可能的， 而且已經(jīng)得到了實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。 倘若考慮到負(fù)能量物質(zhì)的存在， 情況又如何呢？ 這個(gè)問題其實(shí)在霍金的結(jié)果出現(xiàn)之前就已經(jīng)有人進(jìn)行了研究。 一九八八年， 加州理工大學(xué)的物理學(xué)家索恩 (K. S. Thorne) 與莫里斯 (M. Morris) 等在研究可穿越蟲洞時(shí)發(fā)現(xiàn)蟲洞不僅是空間旅行的通道， 而且還可以作為時(shí)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(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)， 就可以將蟲洞轉(zhuǎn)變成時(shí)間機(jī)器[注八]。 他們的這一結(jié)果把科幻小說中最具魅力的兩個(gè)概念 - 蟲洞與時(shí)間機(jī)器 - 聯(lián)系在了一起， 集萬千寵愛于一身， 很快就成為了建造時(shí)間機(jī)器的熱門方案。 而且由于蟲洞中含有負(fù)能量物質(zhì)， 因此他們的時(shí)間機(jī)器可以逃脫霍金的結(jié)果， 不導(dǎo)致時(shí)空奇點(diǎn)。
　　但是索恩等人的蟲洞時(shí)間機(jī)器雖然可以躲過霍金的詰難， 卻立即遇到了另一個(gè)棘手的問題， 那就是蟲洞一旦成為時(shí)間機(jī)器， 任何微小的量子漲落都有可能通過這樣的蟲洞返回過去， 與它本身產(chǎn)生疊加。 這種疊加過程可以在零時(shí)間內(nèi)重復(fù)無窮多次， 由此產(chǎn)生的自激效應(yīng)足以在瞬息之間將時(shí)間機(jī)器徹底摧毀！ 這種效應(yīng)不僅危及索恩等人的蟲洞時(shí)間機(jī)器， 對(duì)其它類型的時(shí)間機(jī)器也同樣具有威脅。 一九九二年， 霍金干脆提出了著名的時(shí)序保護(hù)假設(shè) (Chronology Protection Conjecture)， 認(rèn)為自然定律不會(huì)允許建造時(shí)間機(jī)器。 不過這還只是一個(gè)假設(shè)， 而且霍金的論據(jù)也不是無懈可擊的， 對(duì)時(shí)間機(jī)器的理論可行性持樂觀看法的物理學(xué)家們陸續(xù)提出了一些模型來突破霍金對(duì)時(shí)間機(jī)器的封殺。 到目前為止， 這方面的討論仍在繼續(xù)。
　　重要的提示：
　　“著名邏輯學(xué)家哥德爾 (K. Gödel) 在廣義相對(duì)論中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常奇特的解， 描述一個(gè)整體旋轉(zhuǎn)的宇宙 - 哥德爾宇宙。 在這種宇宙中， 物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)對(duì)時(shí)間方向會(huì)產(chǎn)生拖曳作用， 離旋轉(zhuǎn)中心越遠(yuǎn)， 拖曳作用就越顯著。 在足夠遠(yuǎn)的地方， 拖曳作用足以形成閉合類時(shí)曲線。”
　　“一九七四年， 美國(guó)圖蘭大學(xué) (Tulane University) 的物理學(xué)家梯普勒 (F. J. Tipler) 研究了一個(gè)無限長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)柱體外部的時(shí)空[注五]， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)只要旋轉(zhuǎn)速度足夠快， 這樣的柱體對(duì)外部時(shí)空所起的拖曳作用也足以形成閉合類時(shí)曲線。 一九九一年， 普林斯頓大學(xué)的天體物理學(xué)家高特 (J. R. Gott) 發(fā)現(xiàn)兩條無限長(zhǎng)的平行宇宙弦以接近光速的速度彼此擦身而過時(shí)， 也會(huì)在周圍形成閉合類時(shí)曲線。”
　　上述兩個(gè)結(jié)果，并沒有經(jīng)過證實(shí)，因此在科學(xué)論述中，只能稱為假設(shè)，而不能稱為發(fā)現(xiàn)。下面一段話，明確的表明，弦沒有證實(shí)，那么有關(guān)弦的性質(zhì)，全是假設(shè)。請(qǐng)讀者不要誤會(huì)。
　　“與梯普勒人為引進(jìn)的旋轉(zhuǎn)柱體不同的是， 宇宙弦的存在雖然還沒有明確的實(shí)驗(yàn)證據(jù)， 但它是許多前沿物理理論所預(yù)言的東西。”

參 考 資 料1

廣義相對(duì)論與時(shí)間旅行 廣義相對(duì)論與時(shí)間旅行

 

一九四九年， 著名邏輯學(xué)家哥德爾 (K. Gödel) 在廣義相對(duì)論中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常奇特的解， 描述一個(gè)整體旋轉(zhuǎn)的宇宙 - 哥德爾宇宙。 在這種宇宙中， 物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)對(duì)時(shí)間方向會(huì)產(chǎn)生拖曳作用， 離旋轉(zhuǎn)中心越遠(yuǎn)， 拖曳作用就越顯著。 在足夠遠(yuǎn)的地方， 拖曳作用足以形成閉合類時(shí)曲線。 因此在哥德爾宇宙中只要讓飛船沿某些遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心的軌道運(yùn)動(dòng)， 原則上就可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間旅行。 哥德爾這位曾經(jīng)以不完全性定理震撼整個(gè)數(shù)學(xué)界的邏輯學(xué)家， 又用他的旋轉(zhuǎn)宇宙震動(dòng)了包括愛因斯坦本人在內(nèi)的許多物理學(xué)家。

可惜的是， 哥德爾宇宙并不符合天文觀測(cè)。 首先， 我們所生活的宇宙并不存在整體的旋轉(zhuǎn)【注四】； 其次， 在哥德爾宇宙中宇宙學(xué)常數(shù)是負(fù)的， 而我們觀測(cè)到的宇宙學(xué)常數(shù)卻是正的。 因此我們所生活的宇宙顯然不是哥德爾宇宙。 定量的計(jì)算還表明， 即便我們真的生活在一個(gè)哥德爾宇宙中， 也很難實(shí)現(xiàn)時(shí)間旅行， 因?yàn)檠馗绲聽栍钪?a href="http://www./Item/112047.aspx">中的閉合類時(shí)曲線運(yùn)行一周所需的時(shí)間與宇宙的物質(zhì)密度有關(guān)， 對(duì)于我們所觀測(cè)到的密度而言， 沿閉合類時(shí)曲線運(yùn)行一周起碼需要幾百億年的時(shí)間。 因此哥德爾宇宙對(duì)于時(shí)間旅行并無現(xiàn)實(shí)意義。

廣義相對(duì)論與時(shí)間旅行 相關(guān)條目

 

哥德爾宇宙雖然沒有現(xiàn)實(shí)意義， 但它的發(fā)現(xiàn)表明廣義相對(duì)論的確允許閉合類時(shí)曲線的存在， 這本身就是一個(gè)鼓舞人心的結(jié)果。 自那以后， 物理學(xué)家們?cè)趶V義相對(duì)論中又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了其它一些允許閉合類時(shí)曲線的解。 一九七四年， 美國(guó)圖蘭大學(xué) (Tulane University) 的物理學(xué)家梯普勒 (F. J. Tipler) 研究了一個(gè)無限長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)柱體外部的時(shí)空【注五】， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)只要旋轉(zhuǎn)速度足夠快， 這樣的柱體對(duì)外部時(shí)空所起的拖曳作用也足以形成閉合類時(shí)曲線。 一九九一年， 普林斯頓大學(xué)的天體物理學(xué)家高特 (J. R. Gott) 發(fā)現(xiàn)兩條無限長(zhǎng)的平行宇宙弦以接近光速的速度彼此擦身而過時(shí)， 也會(huì)在周圍形成閉合類時(shí)曲線。 與梯普勒人為引進(jìn)的旋轉(zhuǎn)柱體不同的是， 宇宙弦的存在雖然還沒有明確的實(shí)驗(yàn)證據(jù)， 但它是許多前沿物理理論所預(yù)言的東西。 因此高特的結(jié)果把時(shí)間機(jī)器在理論上的可能性又推進(jìn)了一步。

但是梯普勒與高特為了數(shù)學(xué)上的便利都引進(jìn)了無限長(zhǎng)的物質(zhì)分布， 這在現(xiàn)實(shí)世界中是不可能嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)的。 假如物質(zhì)的分布不是無限的， 還可以得到類似的結(jié)果嗎？ 物理學(xué)家們對(duì)此也做了研究。 一九九二年， 著名物理學(xué)家霍金 (S. Hawking) 給出了一個(gè)令人沮喪的結(jié)果， 那就是如果能量密度處處非負(fù)， 那么在任何有限時(shí)空區(qū)域內(nèi)建造時(shí)間機(jī)器的努力都會(huì)產(chǎn)生物理學(xué)家們最不想看到的東西 - 時(shí)空奇點(diǎn)【注六】。 時(shí)空奇點(diǎn)對(duì)于研究廣義相對(duì)論的人來說并不陌生， 它具有一系列令人頭疼的性質(zhì)， 比如物質(zhì)的密度發(fā)散， 時(shí)空的曲率發(fā)散， 等【注七】。 雖然沒有人確切知道時(shí)空奇點(diǎn)的出現(xiàn)會(huì)對(duì)時(shí)間旅行產(chǎn)生什么影響， 但這種影響有可能是兇多吉少。

這些結(jié)果對(duì)于建造時(shí)間機(jī)器無疑是壞消息， 但細(xì)心的讀者也許已經(jīng)注意到， 在上面的結(jié)果中有一個(gè)限制條件， 那就是 “能量密度處處非負(fù)”。 這個(gè)條件粗看起來是非常合理的， 但我們?cè)诒疚牡逆⒚闷?蟲洞: 旅行家的天堂還是探險(xiǎn)者的地獄？ 中已經(jīng)看到， 負(fù)能量物質(zhì)的存在不僅在理論上是可能的， 而且已經(jīng)得到了實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。 倘若考慮到負(fù)能量物質(zhì)的存在， 情況又如何呢？ 這個(gè)問題其實(shí)在霍金的結(jié)果出現(xiàn)之前就已經(jīng)有人進(jìn)行了研究。 一九八八年， 加州理工大學(xué)的物理學(xué)家索恩 (K. S. Thorne) 與莫里斯 (M. Morris) 等在研究可穿越蟲洞時(shí)發(fā)現(xiàn)蟲洞不僅是空間旅行的通道， 而且還可以作為時(shí)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(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)， 就可以將蟲洞轉(zhuǎn)變成時(shí)間機(jī)器【注八】。 他們的這一結(jié)果把科幻小說中最具魅力的兩個(gè)概念 - 蟲洞與時(shí)間機(jī)器 - 聯(lián)系在了一起， 集萬千寵愛于一身， 很快就成為了建造時(shí)間機(jī)器的熱門方案。 而且由于蟲洞中含有負(fù)能量物質(zhì)， 因此他們的時(shí)間機(jī)器可以逃脫霍金的結(jié)果， 不導(dǎo)致時(shí)空奇點(diǎn)。

但是索恩等人的蟲洞時(shí)間機(jī)器雖然可以躲過霍金的詰難， 卻立即遇到了另一個(gè)棘手的問題， 那就是蟲洞一旦成為時(shí)間機(jī)器， 任何微小的量子漲落都有可能通過這樣的蟲洞返回過去， 與它本身產(chǎn)生疊加。 這種疊加過程可以在零時(shí)間內(nèi)重復(fù)無窮多次， 由此產(chǎn)生的自激效應(yīng)足以在瞬息之間將時(shí)間機(jī)器徹底摧毀！ 這種效應(yīng)不僅危及索恩等人的蟲洞時(shí)間機(jī)器， 對(duì)其它類型的時(shí)間機(jī)器也同樣具有威脅。 一九九二年， 霍金干脆提出了著名的時(shí)序保護(hù)假設(shè) (Chronology Protection Conjecture)， 認(rèn)為自然定律不會(huì)允許建造時(shí)間機(jī)器。 不過這還只是一個(gè)假設(shè)， 而且霍金的論據(jù)也不是無懈可擊的， 對(duì)時(shí)間機(jī)器的理論可行性持樂觀看法的物理學(xué)家們陸續(xù)提出了一些模型來突破霍金對(duì)時(shí)間機(jī)器的封殺。 到目前為止， 這方面的討論仍在繼續(xù)。