霍金:時間旅行是可能的嗎?黑洞就是天生的時光機器

霍金:時間旅行是可能的嗎?黑洞就是天生的時光機器

在距離我們2.6萬光年的銀河系正中央,有銀河系最重的物體;那是一個超大質量的黑洞,質量相當於400萬個太陽,在自身引力的作用下,它被壓縮為一點。離這個黑洞越近,引力越強。一旦距離過近,連光線都無法逃脫。這樣的黑洞對時間有顯著的影響,它令時間減緩的速度,遠遠超過銀河系中的任何物體;所以,它天生就是一台時光機器。(本文為霍金所著《時間旅行─去往時光的久遠之處》書摘,原篇名為〈霍金談如何打造時光機器〉)

霍金:時間旅行是可能的嗎?黑洞就是天生的時光機器

大家好,我是史蒂芬.霍金,我是一個物理學家、宇宙論者,也是一個夢想家。儘管我無法行走,只能透過電腦溝通,但我的內心是自由的,自由地探索整個宇宙,提出大膽的問題,例如:時間旅行可能嗎?我們能夠打開通向過去的入口,或發現通向未來的捷徑嗎?我們最終能夠利用自然法則成為時間的主人嗎?

時間旅行一度被認為是科學的異教邪說;過去,因為擔心有人會把怪人的標籤貼在自己身上,我閉口不談這個話題。但現在我不再那麼謹慎了;事實上,我更像是那些建造了巨石陣的人。我對時間痴迷已久,如果有一台時光機器,我將拜訪紅極一時的瑪麗蓮.夢露,去見把玩望遠鏡探索天空的伽利略;也許我還會走到宇宙的盡頭,破解整個宇宙的湮滅之謎。

想要瞭解這一切何以可能,我們需要從物理學家的角度來審視時間這個「第四度空間」的東西。這聽起來並不難;每個學生都知道,任何物體都以三度空間形式存在,包括坐在輪椅上的我。一切物體都有長寬高。

但時間的長度是另外一種長度。例如人類能活80年,而巨石陣的石頭已經矗立了大約上千年,太陽系則將持續幾十億年──一切事物都有時間長度,時間旅行也就意味著在第四度空間旅行。

為了弄明白這些,我們設想一下一種日常活動──開車。在直路上行駛相當於在一度空間旅行,向左、向右轉意味著進入了二度空間,在崎嶇不平的山路上上下下,又增加了一度,也就是在三度空間。那麼我們如何才能在時間中旅行呢?怎樣才能發現通往四度空間的道路呢?

讓我們片刻回顧一下科幻電影中的情節,有關時間旅行的電影通常有一台巨大而高能耗的機器,這台機器能夠開闢通往四度空間的道路──時間隧道。一個勇敢、但也有些莽撞的時間旅行者(誰也不知道他準備幹什麼)進入時間隧道,來到一個他們想要到達的時間裡;電影中的情節可能有些牽強,現實也許完全不同,但想法本身並不是太瘋狂。

物理學家們也在思考時間隧道,但角度不同。我們想知道過去和未來的入口在自然法則中是否存在;我們的結論是,它是存在的。它是什麼呢?我們給了它一個名字:蟲洞。事實上,蟲洞無處不在,只是它太小,肉眼看不見;蟲洞非常小,存在於時間和空間的每個角落和縫隙。你可能認為這難以理解,請聽我繼續解釋吧。

任何物質都不是平整實心的,仔細觀察的話,你會發現上面有小孔和裂縫;這是一個基本的物理原理,也同樣適用於時間。即使是平滑如撞球的物體,也會有細微的褶皺、縫隙和空洞。目前在前三度空間中,這一點顯而易見;但相信我,在第四度空間中也是如此。

時間也有細微的缺口、裂縫、和空隙;比分子、原子還細小的空間是「量子泡沫」,而蟲洞就存在於其中。空間和時間之間的微小隧道或捷徑,在量子的世界裡不斷形成、消失、改變;它們實際上連接著不同的地點和兩個不同的時間。

所謂蟲洞,是根據愛因斯坦相對論預測的連接時空中,兩個不同地點之間的假想「隧道」或捷徑,上面的三度空間圖輪廓集中呈現了這一點:負能量將時間和空間拖入一條隧道入口,並在另一個宇宙出現。蟲洞至今仍是一種假設,因為從沒有人見過,但在一些電影中被描述成時間旅行的通道,例如《星際奇兵》(1994年)和《時光大盜》(1981年),前者將蟲洞描述成宇宙之間有門的隧道,後者則在天體圖中展現了蟲洞的位置。

不幸的是,現實的時間隧道僅有億萬億萬億分之一釐米,這麼窄的通道人類過不去──不過這就是「蟲洞時光機器」概念的發展方向。部分科學家認為,我們也許可以捕獲一個蟲洞,將它放大幾億倍,使人類甚至宇宙飛船足以穿越。

如果動力充足、科技完備,科學家或許也可以在太空中建造一個巨型蟲洞。我並不是說這必然實現,但果真實現了,這個裝置會非同凡響;一端在地球的附近,另一端則在遙遠的星球附近。

理論上來說,時間隧道或蟲洞不僅僅能把我們帶到別的星球。如果兩端在同一個地方,且由時間而非距離分離,那麼飛船就只是在地球附近飛進飛出,或許恐龍會目擊飛船著陸。

歷史上,最快的人造飛行器「阿波羅10號」能達到每小時2.5萬英里(約合每小時4萬公里);但要實現時間旅行,我們的速度必須是阿波羅10號的2000倍。

如今,我意識到以四度空間方式思考並不容易,蟲洞是一個令人絞盡腦汁的概念;我一直想做一個簡單的實驗,以揭示目前或將來人類透過蟲洞的時間旅行是否可行,我喜歡簡單的實驗、和成功後的香檳。

所以,我將自己最喜歡的兩件事情結合起來,探討時間旅行是否可行。

我們來想像一下,我準備舉辦一個晚會,歡迎未來的時間旅行者。不過我耍了個把戲,直到晚會開始之前,我都沒讓任何人知道這件事;我寫好邀請函,註明準確的時間和空間座標。我希望邀請函能以這樣那樣的形式存在幾千年;也許在未來的某一天,某個人會發現邀請函上的訊息,使用時光機器來到我的聚會,證明時間旅行在將來是可能的。

現在,我那些時間旅行的客人任何時候都可能到場。五、四、三、二、一,可是我數完數,沒有人出現,真尷尬。我還希望至少未來的「環球小姐」能出現在門口呢。這個試驗為什麼不起作用?其中原因可能是一個眾所周知的問題:回到過去會存在悖論。

悖論很有趣,最著名的叫做「祖父悖論」。我有一個新的簡化版本,稱之為「瘋狂科學家悖論」;我不喜歡科學家在電影中被刻畫成一群瘋子,但就這個事例而言,他們的確瘋狂。這個傢伙決定創造一個悖論,不惜花費生命;設想一下,他建造了一個蟲洞,一個時間隧道,僅一分鐘就可以回到過去。

透過時間隧道,科學家能夠見到一分鐘前的自己。但是如果科學家利用蟲洞回到過去,並對著過去的自己開槍,事情會怎樣?他現在已經死了。那誰開槍殺開了他呢?這就是個悖論,不合乎邏輯,而最讓宇宙學家抓狂的正是這種情況。

這種時光機器違背了宇宙管理的基本規定──先因後果,從來不會先果後因。我相信一切發生的事情都是可能發生的,否則如果不可能發生的事情發生了,那麼就沒有任何辦法阻止宇宙陷入混亂了。

所以我認為,總會有些事情發生以阻止這種悖論。科學家總會發現自己無論如何也不能對自己開槍,在這種情況下,我只能遺憾地告訴大家,這個問題就出在蟲洞本身。

最後,我認為這樣的蟲洞並不存在,原因就是「回授」。如果你曾去過搖滾現場,你可能辨別得出這種尖銳的雜音,這就是回授;引起回授的原因很簡單。聲音進入麥克風,透過電線傳導,經由擴音器放大,發出說話者的聲音;但如果聲音太多,在一個環狀物內繞來繞去,聲音就會逐次變大。如果沒人阻止,回授效應甚至可能破壞音響系統。

同理,蟲洞也有這種問題,只不過聲音換成了輻射;一旦蟲洞變大,大自然的輻射物會進入,最終形成一個環路。回授效應變得如此強勁,最終會摧毀蟲洞。所以,就算微型蟲洞確實存在,也確實可能某一天膨脹了起來,但並不能持續足夠長時間,當作時光機器使用;這就是為什麼沒有人準時來參加聚會的原因。

任何回到過去的時間旅行、或者其他的方法,都是不可能的,否則悖論就會出現;因此很遺憾,回到過去的時間旅行應該是不會發生了。恐龍狩獵者們該失望了,而史學家們則鬆了一口氣。

然而故事並沒有結束,時間旅行並不是不可能。我對時間旅行、尤其通向未來的時間旅行深信不疑。時間像河流一樣流動,我們每一個人無奈地順著時間的流水而下;但時間又是另外一種河,它以不同的速度在不同地方流動,這是進入未來的關鍵。

一百年前,愛因斯坦首先提出了這一概念。他認識到在有些地方時間放緩了,而在有些地方時間又加速了;他的想法是絕對正確的,證據恰恰就在我們頭頂的太空。

那便是全球定位系統,也稱為 GPS。衛星網路遍布地球附近的軌道,這使得衛星導航得以實現;同時我們也藉此發現,時間在太空中比在地球上更快。每個宇宙飛船中都有一個非常精確的鐘錶,雖然如此精確,但每天仍會快十億分之一秒左右;系統必須糾正這個誤差,否則這一點點的差異可能會影響到整個系統,導致地球上的GPS設備每天偏差6英里(約9.7公里)。你可以想像一下,這將導致怎樣的混亂。

這並不是鐘錶的問題,時鐘在太空中運行較快,這是因為時間本身在太空中就比在地面運行得快,造成這種非同尋常影響的原因,是地球的質量。愛因斯坦發現,物質會減緩時間運行速度,就像是河的下游一樣。物體越重,對時間的阻力越大;這個驚人的事實,為通向未來的時間旅行開啓了大門。

在距離我們2.6萬光年的銀河系正中央,有銀河系最重的物體;那是一個超大質量的黑洞,質量相當於400萬個太陽,在自身引力的作用下,它被壓縮為一點。離這個黑洞越近,引力越強。一旦距離過近,連光線都無法逃脫。這樣的黑洞對時間有顯著的影響,它令時間減緩的速度,遠遠超過銀河系中的任何物體;所以,它天生就是一台時光機器。

我喜歡設想繞軌道運行的宇宙飛船如何能利用這種現象。如果太空總署從地面觀測宇宙飛船,他們可能會發現,繞軌道運行一圈的時間為16分鐘。對於飛船上的那些勇者來說,靠近這個巨大的物體,時間就會放緩;這個效果遠遠超過了地球引力的影響。機組人員的時間會減慢一半,原本的每圈16分鐘,對他們來說僅過了8分鐘。

大型強子對撞機內部

他們一圈一圈地走著,用的時間只有遠離黑洞者所用時間的一半;飛船和船員就這樣做了時間旅行。設想一下,他們繞黑洞轉了5年,別的地方已過去10年。當他們回到家鄉,地球上的人都比他們老了5歲;所以,超大質量黑洞就是一台時光機器。

當然,這還不是非常的實用。超大質量黑洞之所以比蟲洞更有優勢,是因為它不會引發悖論,也不會因反饋走上自我毀滅之路;但它也是相當危險的,它離我們非常遙遠,而且也不能將我們帶到很遠的未來。幸運的是,有另外一種方式能進行時間旅行。這也是我們建造貨真價實的時光機器最後、也是最大的希望。

你必須以極快的速度旅行,甚至比避免被吸進黑洞所需要的速度還快。這是因為宇宙還有一個奇怪的事實──宇宙中存在著速度限制,即每秒鐘18.6萬英里(約合30萬公里),亦稱光速。沒有什麼能超過光速,這在科學界已被證實;信不信由你,當速度接近光速時,你將被送到未來。

要想理解這一點,我們可以設想科幻小說中的交通系統。想像一條為超高速火車建造的環繞地球的軌道。我們設想讓這輛虛構出來的火車以接近光速的速度行駛,看看它如何變成一個時光機器。火車上的乘客們帶著一張通向未來的單程票,火車開始加速,越來越快,不久,它就在一遍一遍地環繞地球了。

接近光速,也就是說以超高的速度環繞地球達每秒7次;但由於物理學的法則,不論火車有多強的動力,都不可能達到光速,只能無限接近光速。現在不可思議的事情發生了,火車上的時間相對地球上其他地方的時間變得緩慢了,就像在黑洞附近一樣,火車上的一切都變慢了。

這是為了保護速度限制,原因不難理解。設想一下,一個孩子在火車上朝前跑,他向前的速度加在了火車的速度上,那麼他能突破速度極限嗎?當然不能;自然規律會令列車上的時間減緩,使得這一幕永遠不會發生。

她的速度再快,也無法打破速度極限;時間總是放緩來保護速度限制。這使得去往多年後的未來成為可能。

設想一下,火車在2050年1月1日出發,環繞地球100年。2150年新年火車停下來;由於火車上的時間變緩,乘客們僅度過了一週的時間。當他們下車,他們發現外面的世界和他們離開時完全不同了;僅僅一週,他們就跨越了100年進入了未來。當然,建造這樣速度的火車幾乎不可能。但在瑞士日內瓦的歐洲物理粒子研究所,我們已經打造了世界上最大的粒子加速器,與這種火車非常接近。

在很深的地下,一條16英里(約合25.75公里)長的環形隧道裡,有一條由幾萬億微小粒子組成的粒子流;一旦啓動,他們能瞬間從0加速到每小時6萬英里(約合每小時9.7萬公里)。

能量加強,粒子的速度越來越快,直到它們以每秒1.1萬圈的速度環繞地下隧道運行,這時速度接近光速;但就如上面提到的火車,它不能完全達到光速,只能達到光速的99.99%。

此時,時間旅行就發生了。一些非常短暫的粒子讓我們明白了這個現象,這些粒子也叫「π介子」;一般說來,π介子會在250億份之一秒內分裂,但當他們被加速到光速時,壽命是以前的30倍。

就這麼簡單,達到飛快的速度,我們就能跨越到未來;我認為實現這一目標的唯一途經是進入太空。歷史上,人造最快的飛行器阿波羅10號能達到每小時2.5萬英里(約合每小時4萬公里);但要實現時間旅行,我們的速度必須是阿波羅10號的2000倍。

這樣說來,我們還需要一個較大的飛船,一台巨大的機器。這艘飛船能夠運載大量燃料使飛船加速至接近光速;在全負荷動力運行下,達到宇宙速度極限需要6年。

由於飛船很大很重,最初加速很緩慢;但隨著時間的推移,飛船速度非常快,不久就覆蓋廣大區域,一周內就能到達其他星球。兩年之後,達到光速的一半,大約離地球30萬億英里(約合4.8萬億公里);再過兩年,速度達到光速的90%,遠離太陽系。

發射四年之後,飛船開始了時間旅行;飛船上每過1個小時,地球上相當於過了2個小時,這與在巨大黑洞軌道上運行的宇宙飛船情形相似。

再經過另外兩年全負荷動力飛行,飛船將到達其最高速度──光速的99%;在此速度下,在飛船上一天相當於地球上的一年,飛船將跨越至未來。

時間放緩還有另一個好處,理論上說,這意味著我們一生中將跨越無盡的距離;到達銀河系的邊緣需要80年,但我們旅行真正的目的是要揭示宇宙有多麼神奇。宇宙中不同的地方時間流逝的速度不同;微小的蟲洞就在我們的周圍;直到最後,我們利用物理原理,或許真的可以成為穿越第四度空間的真正宇宙旅行者。

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qvb09338
1.  qvb09338 (發表於 2019年4月12日 10:41)
根據霍金的蟲洞回授理論,回到過去時間是可行的,在某個條件下不會違背因果邏輯。
在音響理論中,如果想要避免麥克風回授,有個作法是增加訊號的延遲,喇叭輸出的訊號比麥克風收到的訊號慢一點點,就可以大幅降低回授。
相對論提到,所有物質及訊息都無法超越光速,亦即距離越遠,阻隔的不只是空間,還有時間。
假設某人欲利用蟲洞回去一年前,那麼這個蟲洞就只會出現在一光年以外的地方,假如此人立刻用光速回到出發的位置欲殺死自己,那麼已經過了一年,此人也已經出發去蟲洞,已經不在了。
又如果某人欲利用蟲洞回去30年前殺死自己的父母,那麼這個蟲洞就只會出現在30光年以外的地方,假如此人立刻用光速回到出發的位置欲殺死自己的父母,等於回到原來的時間而已。此人也已經出發去蟲洞,已經不在了。
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2.  users (發表於 2019年5月03日 22:02)
講了半天總之一句話:做不到!

莫說時空旅行做不到就連時間旅行都不行還時光機咧,
可以去而復返才算旅行;
一去不返的那叫移民!
再說,
只能在時間軸上往將來、未來單方向的移動在空間方面地點幾乎完全無法改變的這種技術侷限性太高可說等同無用。
在宇航上的應用來說,
除非華普航法真的面世、地球人類確實能製造曲速引擎這類空間扭曲裝置,
在空間座標上移動的加速性上限已經鎖死在光速了;
但達到光速卻不代表能閃現〈那只是短距離內的錯覺〉。
所以,
這玩藝真的搞出來之後唯一的實用價值只有到可憐的地球被這些有錢、有權、有勢的地球人類搞殘、弄廢了,
確定要拋棄這裡去禍害其它星系或銀河時能夠稍微縮短抵達目的地所須花費的時間而已。

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