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霍金曾举办过时间晚会 无人到访意味着什么?真没有时间旅行吗

时间:2023-12-13 16:19:23

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霍金曾举办过时间晚会 无人到访意味着什么?真没有时间旅行吗

本文参加百家号 #科学了不起# 系列征文赛。

霍金的时间晚会,是一个古怪的实验。其目的是为了验证在现实中时间旅行(回到过去)是否可行。没有一人到场的结果,似乎证明现实中不存在时间旅行。这个“先办晚会后发邀请函”的实验本身其实很无趣,而重点在于霍金为什么愿意做这样一个实验?剥去与舆论联手作秀的嫌疑以外,这个实验的背后透露着怎样的科学意义?

时间概念的发展

直到20世纪初,人们还相信着绝对的时间观,世界上的每一件事都被称为“时间”的数所标记,而所有的这些数都对应着一个全宇宙通用的刻度盘。牛顿把时间比喻为一支箭,从过去笔直地射向未来。

而“光速不变”的秘密被发现后,时间已经无法成为衡量世界万物的绝对尺度。人们惊讶地发现原来万物都有一个自己的刻度盘,彼此之间只有近似时间,没有绝对时间。当万物彼此运动的速度相差越大,彼此之间的时间差距也就越明显。即便是同一物体的时间,也随自身的运动而变化。爱因斯坦把时间比喻成一条河,它会顺着河道而弯曲,且时快时慢地流向远方。

1949年,爱因斯坦亲密的小朋友哥德尔,却在相对论里解出了一个鬼魅的新时空——遥远的未来,都通向我们的过去。哥德尔的宇宙是一个旋转的宇宙,未来与过去成了彼此的轮回。回到过去的时间旅行似乎从此有了物理学的理论支持。

哥德尔宇宙

图例:哥德尔宇宙中,物质沿着中心轴匀速转动,转动对光锥造成了影响。

不过哥德尔的宇宙必须满足一定的曲率,而宇宙微波背景辐射和氢元素丰度的观察表明,宇宙的曲率似乎为0,看来现实的宇宙不满足时间旅行所需要的曲率。不过哥德尔的解还是把物理学界搅得翻天覆地,掀起了一轮又一轮对时间旅行的探索。物理学家们都在探讨这样一个问题——我们能否把时空的局部卷曲成一个闭环,而允许时间旅行呢?

随着越来越多允许时间旅行的理论出现,时间旅行已成了前沿物理研究的一个重要课题。时间旅行不再仅仅局限在幻想,而真正变得具有了客观实在价值,还亏了量子力学的贡献。

虫洞理论的出现与虚空中的逆时间运动。

这个时空局部的卷曲,其实就是我们现在常说的虫洞。1935年,由爱因斯坦与罗森以“桥”的概念提了出来,虽然当时他们只是在推测黑洞内部的数学结构,不过显然物理学家们发现了它更前沿的应用。然而,要达到这种扭曲就必须要有负能量的存在。一般来说,物质的正能量密度赋予时空以正的曲率,如形成一个球面;而负能量密度赋予时空以负的曲率,如形成一个鞍面。

而我们在哪去找负能量?

在宏观世界可能很难,但在微观的量子领域,量子定律却允许在总额度为正的前提下,局部出现能量透支,产生负能量。最有力的实验证明就是“卡西米尔效应”。

两块平行金属板只要能靠得足够近,小于真空中虚光子的波长,两板之间就会产生一种吸引力,称为卡西米尔力。真空一般被认为能量为零,卡西米尔力的出现意味着真空里有比零更小的能量,这就是我们所谓的负能量。根据“真空涨落”的描述,真空中充满了虚的正反粒子对,它们一同出现、分离,再一同湮灭,其在时空中的路径共同画了一个圈。如果以“费曼图”的思路来看待它们的路径,会非常有意思。一个反粒子可以被认为是一个逆时间运动的粒子,正反虚粒子对的产生与湮灭可以看成一个虚粒子在时空的闭合圈里运动,从现在到未来,再从未来到过去。

如果说发生在真空中的这种虚过程无法观测,那“霍金辐射”则可看成一种在微观尺度上,允许粒子在时间中往回运动的可观测效应。

“霍金辐射”实际就是发生在黑洞事件视界附近的真空涨落。当正反虚粒子对的其中一个掉进了黑洞中,而另一个被留在黑洞外面,虚粒子就变成了可观测的实粒子。虽然正反虚粒子都可能掉进黑洞,但由于黑洞的时空结构原因,掉进去的反粒子会更多,所以宏观上看,黑洞就像在对外辐射一样。其中掉进黑洞的反粒子,可以看成从黑洞跑出来逆时间运动的粒子,当它运动到虚粒子对产生的位置时,再被引力场散射为正时间运动的逃逸粒子。

也就是说,在微观尺度上,霍金认为时间旅行是完全可行的。问题是在宏观尺度上,时间旅行是否依然成立?

霍金认为是不可能的,他把不可能的原因称为“时序防卫猜想”,即物理定律会联手阻止宏观物体将信息传回到过去。比如,即便出现一个可以时间旅行的扭曲时空闭环,它周围的真空涨落的虚粒子会像霍金辐射一样变为实粒子,这些粒子会反复地出现在闭环周围,累加的能量赋予时空以正的曲率,会将时空的负曲率抵消。也就是说,允许微观时间旅行的量子理论,却成了防止宏观时间旅行的终极守卫。当然这一切无法验证,到底这些虚粒子会使得时空曲率变正,还是变负?或许还是会被其它粒子抵消?都不得而知,也就让宏观世界的时间旅行还悬而未决。

总结

无论时间旅行在宏观世界到底存不存在,其实都是霍金的时间晚会所无法证实的,那只是霍金一个幽默的玩笑而已。

未曾有来自未来的访客,可以有很多解释。比如,因为我们观察了过去,且没有发现允许从未来返回所必需的时空扭曲,所以在确定的过去中无法容纳来自未来的客人,但未来是未知的开放的,所以也可能出现需要的曲率。这意味着,时间旅行在未来永远是可能的。

另外,即便真有来自未来的客人,他们也可能并没有把霍金的邀请放在心上,谁说不是呢?

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