时空旅行的科学依据是什么？

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《寻找时间的边缘：黑洞、白洞和虫洞》一书向读者展示了现代物理学的想象究竟有多奇特？包括世界的本质、空间与时间的奥秘是什么？时空旅行的科学依据是什么？建造时间机器的两种路径在哪？

《寻找时间的边缘：黑洞、白洞和虫洞》，【英】约翰·格里宾 著，海南出版社

本文摘自《寻找时间的边缘：黑洞、白洞和虫洞》，【英】约翰·格里宾 著，王大明、李斌 译，海南出版社，出版时间：2014年7月。

时间循环和其他扭曲

在他的故事《你们这些傻瓜》之中，罗伯特·海因莱因描述了一个年轻的孤女如何被时空旅行者诱惑并且（恰好）生下了一个小女孩给人收养。这一生育所导致的复杂后果是，“她”做了一个变性手术变成了一个男人。她的诱惑者动员她进入了时间服务，结果显示她事实上就是他年轻时的自己，而且那个女婴（事实上他从时间上来说回到了她成长的孤儿院）也是他们更年轻的自己。这个封闭循环是很好的，而且没有违背已知的物理学规律（即便从生物学角度看是不大可能的）。但是，如果我们忽略这些“特殊的影响”，并且假想一下没有人疯狂地去做一些可能产生悖论的事情，例如杀死你自己的外祖母，那么又会发生什么呢？我们如何用现代物理学的语言描述一次简单的时空旅行？

最好的方式是借助时空图。想象一下，一个发明家在实验室中不停地连续工作，建造一个时间机器。一旦建造完成，他跳进去，按下开关，时空旅行回到过去，空间上稍微倾斜，直到与更年轻的自己并肩而坐。然后，他关掉机器，两个发明家交流了几句，最后沿着自己的路进入了实验室外的世界。这类时间的时空图如图7.1。理查德·费曼对闵可夫斯基的标准时空图做了细微改变，以便表示出时间的流动。如果你在一张纸或卡片上面剪一个小窄缝，并且将这张纸或卡片放到图上，这样通过小缝儿只能看到底轴线，你看到了发明家在实验室中开始工作时的位置。将这个窄缝向页面上部移动（或者仅用手盖住图，并且向页面上部移动），你看到发明家的世界线随着时间的流逝而延长，但是他仍然处于相同的位置。突然地，稍年长的发明家莫名其妙地出现了，坐在时间机器里面。从那个时候起，我们一度能看到三个发明家。一个最年轻的发明家正在建造时间机器，与年长点的自己说了几句话。另一个最年长的发明家开始进入一个外部世界，与年轻的自己说了几句话。坐在时间机器里面的第三个发明家是年纪居中的。不仅如此，随着时间流逝（向页面上方移动），他变得年轻了。我们可以这样说，例如，如果说他正在抽雪茄。从时空外的像上帝一样的视角，我们应该看到他双唇间的雪茄开始的时候是一个烟蒂，但是当我们将注意力转移向页面上方，我们发现雪茄逐渐变长，直到成为一根完整的雪茄，时空旅行者将其装起来并且藏到口袋里。

时间机器已做的就是逆转其内部的时间流——其结果是，第三个发明家的世界向后与发明家的最初世界线重叠。

费曼的图表实际上用于描述亚原子世界中的粒子行为。通常上，像图7.1一样的图表可用于描述在“V”位置的一对粒子-反粒子的表现（可能是一个电子和一个正电子）。前面我已经提到这些虚粒子对是相互湮灭的，目前为止这是它们最共同的命运，然而，事实上，如果其中一个虚粒子能够与真实世界的伙伴粒子相互湮灭，将能量债务补偿给真空，以致初始的虚伙伴粒子能够在这个位置被升级为真实粒子，那么这些平衡关系能够完全令人满意地实现。在那种情况下，来自于图7.1中“V”位置所形成的虚粒子对的正电子可能会很快地遇到电子（左侧的垂直线），一般来说使得它的对应电子进入这个世界。当20世纪40年代费曼提出这一模式可以被认为是一个单独电子的世界线，这个单独电子先是在时间上前移，然后在时间上后退，然后再次前移。换句话说，当电子在时间上后退的时候，正电子也是完全一样的。

你甚至不需要借助虚粒子来玩这个游戏。如果有足够的纯粹能量，真实的粒子-反粒子对也可能由这些纯粹能量制造出来。当一个电子和正电子相互湮灭的时候，它们将会以伽马射线的形式释放能量；具有充足能量的伽马辐射也能产生粒子-反粒子对。因此，另一版本的费曼图可能如图7.2所示。其含义就是从某种意义上来说所有的粒子轨迹和相互作用在时空几何中可能都是固定的，所有的运动和变化都是由我们“当前”时刻的不断变化的心理认知所产生的一种幻觉。（图7.3）

现在，物理学家已经对这一观念习以为常，至少在某种程度上，费曼图是粒子物理学领域的一个有用工具。但是，没有人“真正相信”正电子是在时间上倒退的电子——这被认为是一个暗喻，而不是真实的表述。然而，物理学定律表明，正电子与时间上倒退的电子简直是无法区分的。相同图表上的世界线可以描述一个时空旅行发明家的冒险经历，这一事实意味着物理学定律允许这种旅行（而且可以说，时间倒退旅行的发明家相当于一个“反发明家”）。

我掩盖了一点，那就是如果真正试图建造时间机器，哪一个是具有现实意义的。在粒子世界中，粒子-反粒子对可能是由伽马射线能量制造出来的。但是翻版发明家的质能来自何方呢？为了让多出来的一个发明家与原来的发明家同时存在，猜想一下时间机器将会需要至少等同于发明家质量的能量输入，这是合乎情理的。事实上，那应当是非常大的能量；将时间机器接入输电干线获取能量（甚至是使用方便的雷击）是行不通的，这可能将初始的时空旅行实验限定为涉及面很小而不是关乎全人类的简单测试。但是，这仅是一个技术问题，并且相对于控制宇宙弦来说要容易一些。我从未说过时空旅行是简单的——只是这是物理学定律所允许的！

所以，让我们暂时从人的时空旅行的戏剧性内涵的概念退一步，转而考察粒子时间退行的概念。这里仍然存在基本的时间悖论，因为如果我们拥有将粒子送回到过去的方法，那么我们肯定可以使用这些粒子传递信息。想象一下，你和我有一个时间电台。我答应，倘若我在下午五点钟没有收到在时间上倒退发送的时间电台信息，我会在六点用普通电话打给你。而你答应，倘若我在六点打电话，你会发给我时间上倒退的信息。你只会在我打电话的情况下给我发信息；而我只会在你不发信息给我的情况下打电话。假定我们俩都遵守承诺，那么我们如何解决这一两难处境？与外祖母谋杀情境或时空旅行发明家的情况不同，这可能会在不远的未来变成一个现实的问题。根据老的相对论，撇开费曼较新的时空图幻象，时间上退行的粒子概念并没有错，唯一的要求是它们必须总是在时间上退行，而且顺便说一下，它们旅行的速度要快于光。它们甚至还有个名字——超光速粒子——至今没有人确实找到过它。

  
本文选自：今日头条