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大自然並不反對人們前往未來,為何不允許我們回到過去?

2024-10-21科學

穿越未來或授權行,但逆行至往昔則充滿挑戰。【回到未來】這一80年代經典電影系列,帶來了一種迷人的可能性:我們能夠逆流而上修正歷史的過失,並暢遊未來,據此調整自我,這是每個追求完美的靈魂所向往的夢想。

但物理學界對此有話要說。首先,時間旅行的概念並非科幻小說的虛構產物,科學的真相是,無論你做出何種努力,總有些事情是你無法幹預的!無論你選擇靜止還是加速至接近光速,在你自己的時間座標系內,你總是以同樣的速率穿越著時間。這看似平平無奇的論斷,在愛因史坦1905年提出狹義相對論時,卻是其震撼人心的含義之一。

另一方面,了解到光子——或者說零品質的粒子——在它們的時間座標系內,根本無法感受到時間的流逝:從光子的發射到被吸收的剎那,只有像我們這樣有品質的觀察者才能目睹時間的推移。從光子的視角看去,整個宇宙在它的移動方向上濃縮成一個點,發射與吸收瞬間完成。

而我們是有品質的實體。任何有品質的物體,都受限於低於光速的移動速度。不僅如此,無論你是靜止還是在加速,你始終會感受到光以恒定的速度在運動:即真空中的光速。

這導致了一個迷人的結論:當你觀察一個相對於你移動的時鐘,會發現它在變慢。

想象一下「光鐘」,亦即一個依賴光在兩面鏡子間往返運動的計時裝置。移動中的觀察者相對於你越是快速移動,光的橫向移動比豎向更為顯著,因此那個時鐘對你來說就顯得更慢了。

同樣的,相對於他們,你的時鐘也會顯得慢些;他們會看到你的時間流逝得更為緩慢!然而,這不可能對雙方都成立:當再度重逢時,必定有一方更顯老邁,而另一方更加年輕。

這就是愛因史坦著名的「雙生子佯謬」的實質。簡短的回答是:如果你們起始於相同的座標系(譬如地球),一人離去進行快速的星際旅行,那麽他的時間會顯得慢些,而留守者會保持正常的時間流速。

因此,若你渴望在時間中迅速躍進,只需加速至近光速,並以此速度行進一段時間,再回到原點。如此,根據你所搭載裝置的理論品質,你便能在未來旅行數天、數月、數十年、數百億年,甚至更長!

你能見證人類的興起與衰落、地球與太陽的終章、我們的星系解體、乃至宇宙自身的熱寂。只要你的飛船上有足夠的能源,你便能隨心所欲地漫遊至遙遠的未來。

但「回到過去」則是另一回事。僅憑狹義相對論——亦即空間與時間的基本聯系——就足以使我們步入未來。但若我們想要回溯至過去,就必須轉向廣義相對論,亦即討論時空與物質和能量的關系。在此,我們視時空為一個不可分割的結構,而物質與能量則是令其彎曲的原因,或者說,造成了結構本身的變化。

就我們所知的宇宙而言,時空顯得相當乏味:它幾乎全無彎曲,平坦且缺乏自我迴圈的形態或可辨識的形式。

但在某些宇宙模型中——在愛因史坦廣義相對論的一些解答中——你有可能回到過去。如果空間是自我迴圈的,你朝某個方向旅行足夠長的時間,最終可能會回到原點:這便是封閉宇宙的可能結果。

你不僅可以用封閉的類空曲線求解,同樣可以用封閉的類時曲線求解時空,這意味著你甚至能回到未來!

但這僅是一個數學上的解。然而,這個數學描述能否代表我們的物理宇宙?現實情況似乎並非如此。我們的宇宙所需的曲率和/或不連續性,與我們所觀察到的相去甚遠,即使是在中子星和黑洞這樣的極端環境附近。

即便我們的宇宙可能正在旋轉,但根據觀測,旋轉的極限是我們渴望的閉合類時曲線所需的百萬倍,這一限制過於嚴格。如果你希望在時間上前進,像德洛倫飛船那樣加速——如果「加速」意味著相對論性的加速——可以帶你到達目的地,同樣,一列加速的火車也能做到這一點,這正是愛因史坦最初的構想!

但逆行而上呢?或許你不能返回過去,去阻止你的父親與你母親的結合,制造一個時間上的悖論。

不管【飛出個未來】如何,時光倒流的想法很可能將繼續讓人類著迷。但幾乎可以肯定,時光倒流只能停留在虛構之中。在數學上這並非不可能,但宇宙建立在物理學的基礎上,而物理學只接受數學解的一個特殊子集。在這種情況下,我們想要透過回到過去來糾正錯誤的夢想,或許只能存在於我們的想象之中。