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到从前的时间去旅游,具有极大的诱惑力,如能成为现实,一定会成为最大的旅游热点。不过也存在着众多的忧虑。
新生儿自谋杀和杀父佯谬
1949年,著名哲学家K·哥德尔根据爱因斯坦广义相对论论述返回到历史中去旅行是容许的。但他同时指出,这中间也存在一些荒谬,如一个人回到过去以后,若是他碰到幼儿时的自己,并把他谋杀了,怎么还会有他回到过去旅游的事发生呢?他是做为反证法证明到过去时间旅游行不通,因为这违反因果律,哪会先有果而后有因呢?后来人们将这称为“新生儿自谋杀”。当然,这个人若是碰到他的祖父或父亲,并在他们没有孩子的时候将他们谋杀了,也不会再有他回到过去时间旅游的事发生。这就是著名的“杀父佯谬”。
法国作家雷纳·巴雅瓦在小说《轻率的旅行》中讲述了一个时间的怪论。如果一个人回到从前去旅游,并在他的祖父没有孩子时就被他谋杀了,那么,
这个人就不会被生出来,既然这个人没有被生出来,那就谈不上去杀他祖父,这样,他祖父就可以有后代,做为祖父后代的他就可以返回到从前去谋杀他祖父。
但是,有些科学家认为,科学史已多次证明,前天和昨天看来是荒谬的事物,今天已成为普遍接受的事实。同样,今天看来荒谬的东西,明天和后天也可能成为普遍接受的事实。他们认为因果律是一条由逻辑,而不是由广义相对论制订的规则。如果将自洽律代替因果律,回到从前去旅游,就不会有新生儿自谋杀和杀父佯谬发生。因为在科学研究中发现,宇宙总是按一定规律发展的,从不违反总的规律,一个物理系统的演化(如从祖父到孙子)必须自相一致(即自洽)。孙子杀祖父显然是不自洽的。
超光速和时间倒流
要到从前去旅游,前提条件是必须使时间倒流。目前在科学上论及时间
倒流的,一是运动速度超光速,二是利用黑洞、白洞和虫洞制造时间机器,它们都由爱因斯坦相对论派生。
狭义相对论告诉我们,以超光速运动可以使时间倒流。但同样是在狭义相对论中,光速是速度的极限,任何物质的运动速度,只能无限接近光速,而不能超过光速。因此,时间不会倒流。当然,在相对论方程中,时间是可逆的,向前向后都一样,似乎可以回到过去,但实际上,组成宇宙的时间是有箭头的,只能向前,不能倒退。因此,利用超光速回到从前去旅游,此路不通。
诚然,目前一些科学家仍然认为,超光速是可能的。因而,时间倒流也是可能的,不过,这还只是少数科学家的研究课题。
加入了引力的广义相对论,为我们到从前去旅游带来了一线希望。美国物理学家福特和罗曼认为,不可能有超光速的观点是人们对爱因斯坦相对论的误解。理论上利用黑洞、白洞和虫洞可以制造一部时间机器,做比光速还快的飞行,使时间倒流,回到过去的时间去旅游。当然仍然存在许多难以逾越的障碍。
时空弯曲
在以前的文章中,我们曾说到引力会使时空弯曲。一颗恒星(即强大引力)造成的时空弯曲,可以用一块绷平的橡皮被铁球压出一个坑(即引力阱)来形象地表示,引力(质量)越大,引力阱越深。
对时空弯曲,也可想像成将一张纸弯曲过来。这样,原来相距遥远的两端,现在却靠得很近了,只要有适当的途径,就可迅速从这一端到达遥远的那一端。
白洞和虫洞
在爱因斯坦广义相对论方程中,可以得到一个与黑洞对称的解(反黑洞),科学家把它叫做“白洞”。白洞是黑洞的时间反演。它的显著特征是只吐出物质。不过,迄今的天文探测未找到白洞的任何踪迹。有人曾经认为类星体可能是白洞,因为它的中心大量吐出物质。但研究表明,类星体偏“黑”。可见,白洞
只是在数理研究过程中出现的天体,真实宇宙中并不存在。但它对理论研究很重要。白洞与其数学表述之间的关系,就像土地与地图之间的关系一样微妙。地图与土地毫不相干,但地图却能解决许多与土地有关的问题。在真实世界中不存在的物理方程解,也可以推动科学的发展。因此,科学家仍然很重视对白洞的研究。
以前我们曾说到,当恒星的半径缩小到史瓦西半径(R=2M)时,便成为一个黑洞。在时空弯曲图中,史瓦西半径就是黑洞的视界,即黑洞的边界。而与黑洞对称的是白洞。这样,在黑洞与白洞之间形成了一条通道,约翰·惠勒形象地把它叫做“虫洞”。虫洞连接着相距遥远的两个时空,甚至连接着两个宇宙。
时间机器
研究表明,静止的球对称恒星,在坍缩成黑洞后,史瓦西喉最后会形成一个尖点,也就是虫洞被堵塞了。畅通的虫洞也会因某种扰动因素而闭塞。但实
际上恒星不是严格地球对称的,而且有旋转。罗杰·彭罗斯的研究表明,旋转黑洞把无数个虫洞连接在时空的不同部分上。量子理论研究也显示,虫洞有可能不会收缩闭塞。美国加州理工学院的索恩博士根据这些研究结论,利用黑洞和白洞,通过一条仔细选择的虫洞,可以造出一部跨越时空的机器来,从而实现到过去的时间去旅游的愿望。这些已成为广泛的科幻小说题材。
选择黑洞
选择什么样的黑洞来造时间机器也是有讲究的。我们知道,黑洞的潮汐力(请回忆以前讲过的潮汐力的含义)与它的物质密度成反比,而黑洞的物质密度又与它的质量成反比。因此,质量越小的黑洞,潮汐力越强。1个10倍太阳质量的黑洞,它的视界半径为30千米,它的巨大潮汐力可以把在它400千米高空之上的人撕裂。而对1000倍太阳质量的黑洞来说,则可以安全地抵达视界附近。如果黑洞的质量达1000万倍太阳质量,则可安全地进入其视界以内。因此,我们应选择质量巨大的黑洞作为时间机器的入口。
还有,我们应选择旋转黑洞,因为静止黑洞的中心是一个时空都消失了的奇点,即虫洞被堵塞了。而旋转黑洞的中心是一个奇异环,即虫洞的喉部,可以让飞船通过。
如何通过虫洞
迄今没有发现任何虫洞的踪影。不过,一些科学家对此很乐观。如福特和罗曼,在2000年1月号的《科学美国人》杂志上发表文章说,量子虫洞无所不在,它们连通着宇宙的不同时空。但是,即使找到了虫洞,也不能保证飞船能安全通过,如不被它的巨大引力摧毁,或不因飞船飞过时的扰动而收缩。早在1976年,培根基金会曾悬赏300万英镑,奖励首先解决飞行器通过旋转黑洞,安全到达另一个时空区域的理论研究者。
是否有人得到了这份悬赏,未见报道,但在科幻小说中确有如何通过虫洞的办法。如美国著名天文学家和科幻小说家卡尔·萨根在科幻小说《接触》中,用能产生负压力(即张力)的“负物质”建造一条“负虫洞”,来抵消虫洞的强大引力压力,使虫洞变得稳定,从而使飞行器安全通过。另一名科幻小说家克莱顿,他在一本名为《时线》的科幻小说中,也利用负能量通过虫洞,让书中的主人公回到中古时代的法国去旅行。
飞向黑洞
飞船载着乘客向一个巨大的旋转黑洞飞去,在越过静止界限后,飞船被迫顺着黑洞旋转的方向飞行。随着逐渐地接近视界,飞船自由航行的能力越来越小。同时,由于时间被逐渐冻结,对观测飞船飞行的人来说,时间过得越来越慢,飞船总是到达不了黑洞的视界。而飞船上的人却报告说,它们在全速前进,逐渐缩短与黑洞的距离。
突然,与飞船的一切联系中断了,飞船也从观测者的视线中消失了。原来,飞船终于越过了黑洞的视界进入了黑洞。由于黑洞是“黑”的,从外部观测不到黑洞内部的任何情况,自然也观测不到进入黑洞的飞船。同时,黑洞吞食一切物质,不允许任何信息跑出来,飞船上的人自然无法从黑洞中发出联络信号来。黑洞的视界虽然不是铁幕、隔墙,甚至连布幕、纸幕都不是,而是一无所有的空间,但它确确实实把世界分成了两部分。在视界外的任何事件我们都能观测到,而在视界内的黑洞内部,我们无法了解那里发生的任何事件,包括飞船和乘客的存亡。
在黑洞内部
进入质量较小的黑洞内部,飞船连同其上的乘客,会被它的巨大的潮汐力不断一分为二,很快就会变得粉碎。如果黑洞质量虽然很大,但它是一个静止的球对称黑洞,可以容许飞船进入而不被粉碎,但它的奇点处的引力是没有上限的。而飞船总是要落向奇点的。这样,飞船连同乘客在不断靠近奇点的过程中,仍将被巨大的潮汐力不断一分为二,直至变为齑粉。不过,这种苦难的时间是很短的,对1倍太阳质量的黑洞来说;从越过视界到落入奇点只有几微秒;对10倍太阳质量的黑洞为千分之一秒;而在这个1000万倍太阳质量的黑洞中,也只不过3分钟而已。这样的黑洞,既是空间的尽头,也是时间的尽头,进入黑洞就是进入了死胡同,既无法到达过去或别的宇宙去旅游,也无法返回自己的宇宙时空,注定会从我们的宇宙永远地消失,而且不会留下任何痕迹!
忧伤的结局
当然,我们选择的是一个巨大质量的旅转黑洞,它的中心是一个奇异环,允许飞船安全通过。但是,旅游的前途并不明朗,因为谁也不知道虫洞的那一端就是一个白洞出口。即使虫洞另一端连着白洞出口,飞船成功地到达了过去的时空或另外的宇宙,但那里有黑洞,即虫洞的入口吗?因为虫洞是单向通道,不可能顺原路返回。找不到返回的入口黑洞,这样的旅游就是有去无回的了。即使那里有虫洞的入口黑洞,但我们前面已经说到,迄今在我们的宇宙时空没有找到白洞的任何踪迹,这样的旅游同样是有去无回的。
即使将来能找到返回现时宇宙时空的办法,仍然会有悲伤的结局发生,如新生儿自谋杀之类。因为虽然宇宙发展的总体是自洽的,但不自洽的事也是屡见不鲜的。如果年轻的旅行者与他(她)结婚前的祖母(祖父)相互一见钟情而结为夫妻,岂不扰乱了血缘关系?!如果旅行者与统一六国以前的奏始皇一见如故并把他带回现时的宇宙时空,历史年表不也就被扰乱了吗?难怪史蒂芬·霍金在“历史年表保存假说”中,主张物理法则禁止这类虫洞的存在。确实,至少是通向过去的虫洞应该被禁止,暂时还是把这类旅游留在科幻小说中吧!
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