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加来道雄:时间旅行可以实现

时间: 2015年10月21日 | 作者: admin | 来源: 未知
加来道雄是弦论方面的理论物理学家,同时也是几本物理科普著作的作者,这其中便包括《多维空间与幻想:科学将如何 彻底改变21世纪》(Hyperspace and Visions: How Science Will Revolutionize

加来道雄是弦论方面的理论物理学家,同时也是几本物理科普著作的作者,这其中便包括《多维空间与幻想:科学将如何 彻底改变21世纪》(Hyperspace and Visions: How Science Will Revolutionize the 21st Century),此外,他还是一个每周播出的电台科学节目的主持人。

  

 

近期他接受了《科学美国人》的采访,畅谈了时间旅行的可能性以及他对科学和流行文化的看法,经过编辑的采访实录如下。

 

《科学美国人》:大家对时间旅行的看法都经历过哪些变化?

加来道雄:在上世纪90年代,如果一个正经的物理学家讨论起时间旅行,他会被整个科学圈所耻笑。大家会在背后非 议他,他的科学声誉也会破坏殆尽,再也拿不到终身职位。而在过去的20年时间里,科学界对时间旅行的态度发生了巨大的变化,我在《多维空间》 (Hyperspace)这本书中也表达了这个观点。曾经,物理学家需要去证明时间旅行是可行的,而现在反倒是想证明时间旅行不可能的物理学家有压力了。

 

《科学美国人》:从什么时候开始,科学家开始认真思考时间旅行的问题了呢?

加来道雄:1949年,爱因斯坦在普林斯顿的同事,也是过去一千年中最伟大的逻辑学家之一的库尔特•哥德尔(Kurt Gödel)找到了爱因斯坦广义相对论方程的一个解,这个解描述的宇宙是旋转的。如果宇宙真是旋转的,那么你乘一艘火箭环绕宇宙航行时,会在出发前就返回。

 

爱因斯坦也为这个解感到十分困扰。在牛顿看来,时间的长河是笔直、连续且始终如一的,它从不偏离,并始终以相同的速度流逝,以自己的这种方式带着世 间万物同行。后来爱因斯坦认为,时间“并没有这么稳定,时间的长河蜿蜒曲折,会在恒星和星系周围加速或者减速”。到了1949年,哥德尔发现时间长河中还 可能存在漩涡,这就是所谓的“闭合类时曲线”。在爱因斯坦的回忆录里,他承认这的确是他方程的解,但是他同时认为我们可以从物理上将它们舍去——因为宇宙 是在扩张的,并没有转动。

 

科学家们在重新检查爱因斯坦方程之前的一些解的时候,发现还有其他解同样允许时间旅行。1937年,W•J•范斯托克姆(W. J. van Stockum) 得到的一个解是一个旋转着的无限长圆柱体,就像五月柱一样(欧洲人在传统的五朔节时用树干做成的柱子,上面漆成五颜六色,顶上挂着花环,花环上拴着彩带, 所有人围着它欢歌起舞),如果绕着这个“五月柱”跳舞,你会在出发前回到原来的位置。1963年,数学家罗伊•克尔(Roy Kerr)发现自转的黑洞会塌缩成一个由压缩物质组成的环,而不是一个点。如果你从这个环中间穿过去,你可能会经历时间倒流,甚至穿行到另一个宇宙。数学 家称这种空间为“多连通空间”(multiply connected space),物理学家则称之为虫洞。在20世纪80年代末期,加州理工学院的物理学家基普•索恩(Kip Thorne)及其同事发现了爱因斯坦方程的另一组解,这些解表明虫洞是可以穿越的。就像是连接平行宇宙的一架电梯一样,这些解有一个“上行按钮”和一个 “下行按钮”,在某些情况下,你可以像电影中那样轻松地穿过它们。你可以像爱丽丝一样进入“镜中世界”,然后再回到原来的世界中。

 

《科学美国人》:那么虫洞可以从哪里产生呢?

加来道雄:我们可以从真空中把虫洞给抓出来,因为它们无处不在。我们认为在非常小的尺度(10^-33厘米) 上,时空充满了泡沫。在这种量子尺度,主要的结构可能是虫洞、小泡沫以及凭空产生继而湮灭的宇宙。如果你可以操纵这些所谓的量子泡沫的话,那么你就可以穿 越某一个小泡泡。基普•索恩提出了一个时间机器设计方案,他说我们也许可以抓住这些泡泡中的一个,将它扩大,再利用负能量将它稳定,从而获得一个虫洞。

 

《科学美国人》:负能量?

加来道雄:负能就是比真空态更低的能量,或者是“没有任何东西的静止状态”(the state of motionless nothing)。我们设想有两个不带电的平行板,因为它们都是静止的,所以可以认为它的能量为零。但是如果你真的(用量子场论)计算它的能量的话,你会 发现板间其实充满了运动的虚粒子。这些虚粒子使得两板间压力小于板外压力,于是平行板就会被挤向一起。本来两板处于能量为零的状态,因而当两者距离减小时 会进入能量更低的状态,这就是所谓的卡西米尔效应。这个效应极其微弱,需要使用极为精密的实验设备才能探测到,但是它是真实存在的,并非科幻小说的幻想 ——我们已经在实验室观测到了负能量。

 

《科学美国人》:科幻电影中将粒子“传真”到过去的做法有科学基础吗?

加来道雄:在过去的十年中,“量子传输”(quantum teleportation)领域取得了巨大的进展,这不再仅仅是只能出现在科幻小说里的事物了。实在地说,我们现在谈的不是穿越时空传送柯克船长,而是 对单个光子进行空间传送。也许再过几十年,我们就可以首次传送由几千个分子构成的病毒,但是在当下,这就是我们能做的极限。并且我们也只能在空间传送物 体,而不是进行时间传送。然而物质传送的概念并非是痴人说梦,这个概念在我的书里也提出来了,所以说这一点还是有一定事实基础的。

 

《科学美国人》:在电影《时间线》里,片中角色旅行到了公元1357年的法国,因为虫洞恰好通向那儿。他们有六个小时的时间返回,但过去的六小时和当前的六小时是同步的。这有什么道理吗?

加来道雄:这就得视情况而定了。关于时间机器,现在有很多的设想。从真空产生的虫洞会随机地将时空中的任意两点 连接起来,因此没有人知道它的另一端会通向什么地方,虫洞应该更有可能会连接到我们的过去而非现在。另外,如果虫洞的每个开口相对于彼此静止不动的话,那 么在每个开口处时间流逝的速度就会一样快。

 

《科学美国人》:建造一台这样的时间机器的可行性有多大呢?

加来道雄:实际上这需要整个恒星那么多的能量。这就需要一个比我们远远先进的文明,极为先进的文明,才可能有能 力去操纵负能量来产生回到过去的时空门。但是一旦你可以获得如此大量的负能量的话,你就可以制造一台时间机器,不但遵循爱因斯坦方程,也可能遵循量子理 论。你需要弦论来调和所有理论上的分歧,比如确保当你打开或者关闭时间机器时大量涌出的引力子不会把你煮熟了。也许一些悲观主义者会说量子效应仍然可能会 导致时间机器爆炸,但到现在证明的责任已经落在了他们的身上:以前是相信时间旅行的人需要证明时间旅行的可行性,现在反倒是怀疑时间旅行的人需要去证明时 间旅行的不可能性——而直到现在所有的这种尝试都失败了。

 

《科学美国人》:难道时间旅行不会导致悖论吗?

加来道雄:现在主要存在四五种类型的悖论。其中最著名的就是所谓的“祖父悖论”,它是说如果你回到过去并在你出 生前杀死了你的父母,那么你又怎么能出生并在你出生前去杀死你的父母呢?对于这个问题主要有两个学派。第一个是俄罗斯学派。哥本哈根大学的伊戈尔•诺维科 夫(Igor Novikov)是一位著名的宇宙学家。他认为如果人回到过去,那么由于某种原因,人的自由意志会受到限制。总会发生某些事情阻止你在你出生前杀死你的父 母。或者我们举个例子吧,如果你回到了英国伊丽莎白女王的军队打败西班牙无敌舰队的时候,并给了西班牙一艘载有机关枪的潜水艇,从而改变了人类历史,那么 我们现在都在说西班牙语了。诺维科夫认为这是不可能发生的,当你回到过去并且要把潜水艇交给西班牙的时候,一定会有一些事情会阻止你。然而我的观点是,未 来的高级文明也许可以直接把潜水艇传送给西班牙,这样就不用担心自由意志受到限制了,无生命的物质也可以通过时间机器而改变历史。这也是我对诺维科夫的解 释持保留态度的原因:认为宇宙定律会协助阻止悖论的产生,这要求恐怕也太高了。

 

《科学美国人》:那怎么解决这个悖论呢?

加来道雄:我更倾向于“多世界”解释。(编辑注:量子物理用概率波函数描述一个粒子,因此它的位置在波函数坍缩 前是不确定的,直到波函数坍缩后粒子才有了确切的位置,虽然这是随机决定的。)多世界理论认为波函数也许从来都不会坍缩,也许它每次遇到障碍物都会分叉。 因此随着波函数不断地分叉,时间线也在不断地分叉。我们只是恰好在波函数的这一支罢了,却误以为我们是唯一的一支。在其他的分支,那里的人也会觉得自己是 唯一的一支。而实际上,没有任何人的波函数坍缩了。

 

至于时间旅行,其实就是从波函数的一支到另一支,从一条时间线到另一条时间线,这些时间线看起来非常相似。如果多世界理论是对的,那便意味着如果你 回到过去并在你出生前杀死了你的父母,那么他们就成了别人的父母,时间线在此处就分叉了。你的父母仅仅在你的世界,你的时间线里生下了你。所以,如果我们 有了多世界理论,那么就不存在所谓的悖论了,只是存在不同的时间线而已。

 

《科学美国人》:物理学家研究时间机器的价值究竟在哪儿呢?

加来道雄:在物理学领域有一条定理:一件事情,如果没有被禁止,那么它就是必须的。所以如果我们假设我们可以洞 察世间万物的规律,也就意味着我们必须回答所有的“怎么来的”的问题,比如宇宙从何创生、大爆炸如何产生,以及黑洞的奇点是什么等等。而现在,我们对因果 性的了解还有很大的空白——迄今为止所有用“时序保护”假说来禁止时间旅行的尝试都失败了,这表明我们并不是真正了解因果律。如果你仔细检查一下计算,你 会惊奇地发现每当你试图证实或证伪时间旅行时,你都需要在量子效应占据主导的极限条件下考察爱因斯坦的理论。这就意味着我们十分需要一个万有理论来解决这 个问题,而万有理论的唯一候选就是弦论。这便是我们为什么要研究这些东西的原因,即便我们在一千年内也没法建造一台时间机器。

 

《科学美国人》:目前弦论对于这些问题给了我们什么启发了吗?

加来道雄:没有。弦论会给我们不计其数的解,每个解都定义良好(well-defined),同时符合爱因斯坦 方程及量子理论。所以在弦论中存在“多宇宙”,非常多可能的宇宙,并且这些宇宙还有可能同时存在。然而,弦理论与哥本哈根解释——可以替代多世界理论的另 一个理论——也是相容的。因此弦论并不能排除两者中任意一个解释。我个人认为多世界理论是否正确将会由弦论所决定。而弦论看起来更倾向于多宇宙的观点。

 

《科学美国人》:那么你觉得为什么我们还没有见到任何时间旅行者呢?

加来道雄:如果你在路边看到一个蚁窝,你会不会俯身对那些蚂蚁说:我给你们带了小礼物哦,我给你们带了核能哦, 我给你们带来DNA技术哦?答案是否定的。你甚至很可能会在它们身上踩过去。科学地讲,蚂蚁和我们之间的距离就像我们和可以操控普朗克能量的文明之间的距 离一样(普朗克能量是探测非常小的距离以及操控时间机器所需要的能量,远大于我们目前可操控的能量)。如果认为他们会对我们有足够的兴趣,愿意拜访我们并 传授技术,那我们也太狂妄无知,太自以为是了。其实他们很可能并不在意。然而,需要注意的是,如果某天一个人敲开你的门并且声称是你的曾曾曾曾孙女,回到 了过去来拜访你的话,不要把门砰地关上。谁知道呢,也许他们有了时间机器呢。

 

《科学美国人》:你对流行文化以及科幻小说对物理学的影响有什么看法?

加来道雄:历史上,科学家曾经因为科幻小说而觉得十分尴尬,他们总是尽力与科幻小说保持距离。但是当你读一些伟 大科学家的传记的时候,又会发现他们中的很多人在小时候都很痴迷于科幻小说。我刚刚完成了一本叫做《爱因斯坦的宇宙》的爱因斯坦传记,所以需要参阅很多大 科学家的传记。我惊奇地发现,埃德温•哈勃(Edwin Hubble)在年轻的时候会读儒勒•凡尔纳的小说,而且对飞往外太空、飞向月球这样的想法非常着迷。这种童年时代的痴迷让他放弃了前途光明的律师行业, 而成为一名天文学家。所以说,我认为虽然科学家们羞于承认,其实有很多人在童年时期其实都受到凡尔纳甚至《星际迷航》的影响。我觉得没什么可羞愧的,而且 这也是我们应该认真对待科幻小说的原因之一。

 

另一个原因是它可以改变公众对科学的态度。任何可以弘扬科学精神的东西,即使是被好莱坞夸大甚至炒作的,我认为都是有积极意义的。我们这些在象牙塔 中生活的人也需要意识到,在某种程度上我们需要为了生存去取悦大众——超导超级对撞机(SSC)计划的取消就为所有的高能物理学家敲响了警钟。不幸的是, 我觉得科学家们并没有使公众对科学产生足够的兴趣,我想这不太好。

 

《科学美国人》:怎么说?

加来道雄:我们举个乔治•伽莫夫(George Gamow)的例子吧,他现在被认为是过去一百年间最伟大的宇宙学家之一。但我想他之所以没有获得诺贝尔奖,就是因为人们并没有严肃地看待他的工作。他写 了一些儿童读物,他的同事也曾经公开宣称他写儿童科普读物损坏了他的科学名声;因此当他和他的同事在提出宇宙背景辐射这个20世纪物理学最伟大的发现之一 的时候,并没有得到人们的重视。

 

想当初,卡尔•萨根(Carl Sagan)正积极吸引公众参与科学活动时,也被美国国家科学院拒之门外。在辩论中,很多科学家都不把他视为正经的科研工作者。他们会在电视上看到卡尔• 萨根——当你在电视上看到一个人的时候,你还会把他看得多严肃吗?要知道我们在电视上看到的都是演员啊。所以我觉得这对他的科学事业也产生了不好的影响。

 

《科学美国人》:似乎现在状况已经有了很大的改观了。

加来道雄:最大的改观是在斯蒂芬•霍金出版《时间简史》的时候。他是个严肃的宇宙学家,并且花时间为大众写书, 而这本书成了史上最畅销的书籍之一,即使是出版界也不得不去关注它。我觉得这促成了更多的科学家去推动大众了解科学,现在知名的科学家也可以撰写科普读 物,而不会遭受几十年前伽莫夫受到的那种名誉上的损害。

 

《科学美国人》:这跟你做电台节目有关系吗?你为什么会想着去做电台节目呢?

加来道雄:是的,我想让大众更多地去了解科学。当我还是一名高中生时,我就非常痴迷于反物质、高维度以及时间旅 行这样的问题,但是每次我去图书馆,问人们这些问题时,总会收到别人异样的眼光。没有人可以回答这些问题,因此在孩提时代我就下定决心,当我成为一位理论 物理学家并做科学研究时,我希望能够为那些同样对这些问题感兴趣而得不到答案的孩子们提供解答。

 

《科学美国人》:你有自己喜欢的时间旅行电影吗?

加来道雄:哎呀,这个问题有点难。作为一个物理学家,有一个问题就是当你看这些电影时,你会觉得“啊,这演得不 对啊。”而这种想法会毁了电影的。但是我喜欢《回到未来》(Back to the Future)系列。在这些电影中你可以真正看到科学家在发挥作用,并且是整个系列非常重要的角色。布朗博士(Doc Brown)是个疯狂的人,但是至少被演了出来。这个角色的存在使得这一系列电影非常成功。

 

《科学美国人》:即使在《多维空间》这本书中,你说《回到未来》中的时间旅行实际上并不可行?

加来道雄:无论是在单时间线还是多时间线的理论中,在你逐渐改变过去的时候,你都不会逐渐地消失掉。但在第二部中,布朗博士的确画了一条时间分支,并明确表示我们会从一条时间线到达另一条。我觉得这一点非常有趣,在电影中,他们站队支持了一种理论——很明显,是多世界理论。