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爱因斯坦有一个预言未实现,科学家却不希望它实现,为什么呢?

2024-07-18科学

不少近现代的物理学家都做过对现实的预言,像牛顿、爱因斯坦、霍金等等。这里面最经典的大概得数爱因斯坦了,差不多在任何有关现代物理学还有一部分天文学的研究里,都能有爱因斯坦的存在,爱因斯坦咋就这么牛呢?

实际上,爱因斯坦特别牛,后来有一半的物理研究都是在他成果的基础上慢慢发展起来的。其中最典型的就是广义相对论,广义相对论对时空的研究给人们带来了新的思路,还打破了牛顿那种绝对的时空观。甚至在一定程度上推动了量子力学的发展,爱因斯坦和玻尔的竞争也让物理学各方面的研究向前迈进了。

当时大家并不看好他的科学预言,到了今天,人们才明白爱因斯坦有多伟大。像引力波、红移、时空扭曲这些,都是爱因斯坦依据广义相对论做出的预言。而且还有一个预言也是跟时空有关的。

这则预言到底讲了啥?它能跟别的科学预言似的变成现实不?时空预言里的宇宙会是啥样?接下来本文会从闭合类时曲线、时间旅行下的量子力学、热力学、广义相对论这几块来回答这些疑问,为啥科学家不盼着这个还没成真的预言成真?

【不可能的穿越】

这则预言总体上是从广义相对论的研究得出的,确切地说,是爱因斯坦提到了时空穿梭的可能,也就是后来咱们说的时间旅行。

在广义相对论里,时空背景还有相对时间坐标显示,处于不同速度和不同时空的物体,所经历的时间是有差别的。说白了,就是对时间流逝的感觉,可到底啥是时间呢?

咱们能从热力学定律这一块儿来说,热力学定律把物体能量、热量的转移给揭示出来了。这种运动变化能让咱们通过物体能量的流失察觉到时间,在热力学当中,所有物体的运动都能呈现为一种热量的流失。

就比如说慢慢熄灭的炭火,人们能从炭火热量的散失感知到事物的运动变化,这种变化能让咱们明白过去跟现在是不一样的。后来咱们把这种不一样叫做时间,在牛顿的绝对时空里,这种变化是不变动的。

不过爱因斯坦的广义相对论把这里面的不同关系给揭示出来了,其实物体的时间变化不是绝对固定的,速度对时间变化起着关键作用。在相对时空的情况下,大家都明白速度越快,物体的时间过得就越慢。要是物体的速度慢慢接近光速,它的时间就会变得越来越慢,等物体达到光速了,时间就停止了。对于广义相对论的研究,科学家觉得时间旅行或许有某种可能性。

不过得承认的是,物体运动超不了光速,因为越靠近光速需要的能量就越多,达到光速得要无穷的能量,所以超光速是不存在的,物体也没法达到光速,只能一直靠近光速。只有像光子这种有静态质量的物质能做光速运动,可这种运动其实就是一种信息传递。

后来在爱因斯坦和玻尔关于量子力学的争论里,爱因斯坦批评了玻尔所说的量子纠缠,因为这玩意能有类似超光速的超距传递。量子纠缠由于没法预知也没法观测,所以解释不了物体这种超光速运动。

【时间闭环中的循环穿越】

基于对广义相对论的研究,科学家觉得要解释这种或许存在的时间旅行得靠量子力学帮忙,还得在「闭合类时曲线」里找到密度状态的时间演化方程。毕竟在量子力学里,自洽解存在于所有时间机器的配置和初始条件当中。那啥是闭合类时曲线(CTC)呢?

其实这在数学物理学里是一种呈现形式,它是洛伦兹流形里的世界线,是时空中「闭合」的物质粒子,还能回到起点。要是 CTC 存在,好像就能表明时间倒流在理论上有可能。在闵可夫斯基空间中,物理学家于狭义和广义相对论里,确定了单个事件发出且向各个方向传播的闪光在时空中走过的路径,把这叫做光锥。

上光锥同时涵盖了其他的空间位置,就是不包含未来时间里 x=0 的情况,倒是包含更早的时间;而下光锥属于平面空间光锥的那种特点,它所包含的所有时空坐标的时间都比较晚。

一个光锥意味着一个物体在当下状态里所有可能的未来变化,或者在当下所处位置上的每一种可能位置。在这次模拟里,一个物体未来可能所处的位置被该物体能够移动的速度制约着,而这个速度的最大限制就是光速。

在「时空度量」的演示里,光锥朝着时间的前方,这就好比一个对象没法同时在两个地方,或者不能一下子就挪到别的位置,这是常见的情形。在这些时空当中,按照广义相对论的定义,物理对象的世界线会在时间上有所呈现。不过这种方向只在「局部平坦」的时空中适用,要是别的时空,就会有倾斜的变化。

在特别极端的例子里,要是时空的曲率度量够高,光锥倾斜能超过 45 度。这就表明,从对象的参照系来说,潜在的「未来」位置,跟外部静止框架里观察者所认为的空间差不多。所以从这个外部的角度来看,物体能在空间里瞬间移动,而且这种情形下物体肯定得移动。

因为它当下所处的空间位置不在它未来的光锥里,而且要是倾斜度够大,从外面看,有些事件的位置是在「过去」。它顺着自己的空间轴恰当移动,那这物体就好像穿越了从外部看到的那些事件。

所以啊,要是能弄出这么一种光锥能在自身循环,弄出闭合类似曲线。那物体就该循环着动,最后回到一开始的地点和时间。可要是物体是自由落体状态,那就能在这循环轨道里,反复回到时空的同一个点。

虽说回到原先的时空位置只是有这个可能性,不过该物体未来的光锥或许涵盖了时间前后的时空点,从这样的模拟推测得出的结论就是可能会有时间旅行。但科学家可不希望这种可能的模拟成真,到底是为啥呢?

【禁止穿越】

显然这会引发「祖父悖论」,一有祖父悖论,因果关系就全乱套了,时空也会遭到破坏。CTC 的特性在于它开启了一种跟更早时候没关系的世界线的可能,所以没法追溯到更早原因的事件。

通常来说,因果关系意味着时空中的每个事件在静止帧里都得有原因。从广义相对论的研究来看,决定论在类空间柯西曲面(想了解的话可以去查查洛伦兹几何)上表明了宇宙的完整性。

不过在 CTC 里,因果关系被打乱了,同一个事件能跟它的原因一块儿出现。说白了,一个事件也许会造成它自己现身。打个不太恰当的比方,要是人在这个循环轨道里,那他能同时瞧见自己的生和死。

还好,这种可能性极大的模型,科学家不希望它出现,当下的物理学研究也不支持。熵增说明时间是向前走的,事物要保持自身状态就得有能量,而这能量得靠热量维持,熵增加意味着时间只能往前,不能倒流。就像一滴墨水滴进水里会扩散,运动状态不停增多,墨水最终会跟水融到一起,你没法让它变回最初那滴墨水。

所以这种可能有的闭合类世界曲线在当下的宇宙模型中是没有的。而且随着量子力学的深化,现在CTC模型得不能违背量子力学的基本规则还有时间反演对称性。尽管能通过广义相对论得出这种模型的数学结果,但从真实的物理时空场论来说,它是不存在的。

显然,就当下的科学研究来讲,科学家们可不想爱因斯坦的预言成真。不管咱们是想拿它干啥,还是就想瞅瞅过去,可过去的事到底都过去了。熵增也表明,事物得往前运动,不能往后。从哲学方面说,过去没法改变可能是个遗憾,不过咱们更得把当下过好。