廣義相對論與時間旅行

　　廣義相對論與時間旅行
　　一九四九年， 著名邏輯學家哥德爾 (K. Gödel) 在廣義相對論中發(fā)現了一個非常奇特的解， 描述一個整體旋轉的宇宙 - 哥德爾宇宙。 在這種宇宙中， 物質的旋轉對時間方向會產生拖曳作用， 離旋轉中心越遠， 拖曳作用就越顯著。 在足夠遠的地方， 拖曳作用足以形成閉合類時曲線。 因此在哥德爾宇宙中只要讓飛船沿某些遠離旋轉中心的軌道運動， 原則上就可以實現時間旅行。 哥德爾這位曾經以不完全性定理震撼整個數學界的邏輯學家， 又用他的旋轉宇宙震動了包括愛因斯坦本人在內的許多物理學家。
　　可惜的是， 哥德爾宇宙并不符合天文觀測。 首先， 我們所生活的宇宙并不存在整體的旋轉[注四]； 其次， 在哥德爾宇宙中宇宙學常數是負的， 而我們觀測到的宇宙學常數卻是正的。 因此我們所生活的宇宙顯然不是哥德爾宇宙。 定量的計算還表明， 即便我們真的生活在一個哥德爾宇宙中， 也很難實現時間旅行， 因為沿哥德爾宇宙中的閉合類時曲線運行一周所需的時間與宇宙的物質密度有關， 對于我們所觀測到的密度而言， 沿閉合類時曲線運行一周起碼需要幾百億年的時間。 因此哥德爾宇宙對于時間旅行并無現實意義。
　　哥德爾宇宙雖然沒有現實意義， 但它的發(fā)現表明廣義相對論的確允許閉合類時曲線的存在， 這本身就是一個鼓舞人心的結果。 自那以后， 物理學家們在廣義相對論中又陸續(xù)發(fā)現了其它一些允許閉合類時曲線的解。 一九七四年， 美國圖蘭大學 (Tulane University) 的物理學家梯普勒 (F. J. Tipler) 研究了一個無限長旋轉柱體外部的時空[注五]， 結果發(fā)現只要旋轉速度足夠快， 這樣的柱體對外部時空所起的拖曳作用也足以形成閉合類時曲線。 一九九一年， 普林斯頓大學的天體物理學家高特 (J. R. Gott) 發(fā)現兩條無限長的平行宇宙弦以接近光速的速度彼此擦身而過時， 也會在周圍形成閉合類時曲線。 與梯普勒人為引進的旋轉柱體不同的是， 宇宙弦的存在雖然還沒有明確的實驗證據， 但它是許多前沿物理理論所預言的東西。 因此高特的結果把時間機器在理論上的可能性又推進了一步。
　　但是梯普勒與高特為了數學上的便利都引進了無限長的物質分布， 這在現實世界中是不可能嚴格實現的。 假如物質的分布不是無限的， 還可以得到類似的結果嗎？ 物理學家們對此也做了研究。 一九九二年， 著名物理學家霍金 (S. Hawking) 給出了一個令人沮喪的結果， 那就是如果能量密度處處非負， 那么在任何有限時空區(qū)域內建造時間機器的努力都會產生物理學家們最不想看到的東西 - 時空奇點[注六]。 時空奇點對于研究廣義相對論的人來說并不陌生， 它具有一系列令人頭疼的性質， 比如物質的密度發(fā)散， 時空的曲率發(fā)散， 等[注七]。 雖然沒有人確切知道時空奇點的出現會對時間旅行產生什么影響， 但這種影響有可能是兇多吉少。
　　這些結果對于建造時間機器無疑是壞消息， 但細心的讀者也許已經注意到， 在上面的結果中有一個限制條件， 那就是 “能量密度處處非負”。 這個條件粗看起來是非常合理的， 但我們在本文的姊妹篇 蟲洞: 旅行家的天堂還是探險者的地獄？ 中已經看到， 負能量物質的存在不僅在理論上是可能的， 而且已經得到了實驗的證實。 倘若考慮到負能量物質的存在， 情況又如何呢？ 這個問題其實在霍金的結果出現之前就已經有人進行了研究。 一九八八年， 加州理工大學的物理學家索恩 (K. S. Thorne) 與莫里斯 (M. Morris) 等在研究可穿越蟲洞時發(fā)現蟲洞不僅是空間旅行的通道， 而且還可以作為時間旅行的工具。 只要讓蟲洞的出入口以接近光速的速度作適當的運動， 就可以將蟲洞轉變成時間機器[注八]。 他們的這一結果把科幻小說中最具魅力的兩個概念 - 蟲洞與時間機器 - 聯系在了一起， 集萬千寵愛于一身， 很快就成為了建造時間機器的熱門方案。 而且由于蟲洞中含有負能量物質， 因此他們的時間機器可以逃脫霍金的結果， 不導致時空奇點。
　　但是索恩等人的蟲洞時間機器雖然可以躲過霍金的詰難， 卻立即遇到了另一個棘手的問題， 那就是蟲洞一旦成為時間機器， 任何微小的量子漲落都有可能通過這樣的蟲洞返回過去， 與它本身產生疊加。 這種疊加過程可以在零時間內重復無窮多次， 由此產生的自激效應足以在瞬息之間將時間機器徹底摧毀！ 這種效應不僅危及索恩等人的蟲洞時間機器， 對其它類型的時間機器也同樣具有威脅。 一九九二年， 霍金干脆提出了著名的時序保護假設 (Chronology Protection Conjecture)， 認為自然定律不會允許建造時間機器。 不過這還只是一個假設， 而且霍金的論據也不是無懈可擊的， 對時間機器的理論可行性持樂觀看法的物理學家們陸續(xù)提出了一些模型來突破霍金對時間機器的封殺。 到目前為止， 這方面的討論仍在繼續(xù)。
　　重要的提示：
　　“著名邏輯學家哥德爾 (K. Gödel) 在廣義相對論中發(fā)現了一個非常奇特的解， 描述一個整體旋轉的宇宙 - 哥德爾宇宙。 在這種宇宙中， 物質的旋轉對時間方向會產生拖曳作用， 離旋轉中心越遠， 拖曳作用就越顯著。 在足夠遠的地方， 拖曳作用足以形成閉合類時曲線。”
　　“一九七四年， 美國圖蘭大學 (Tulane University) 的物理學家梯普勒 (F. J. Tipler) 研究了一個無限長旋轉柱體外部的時空[注五]， 結果發(fā)現只要旋轉速度足夠快， 這樣的柱體對外部時空所起的拖曳作用也足以形成閉合類時曲線。 一九九一年， 普林斯頓大學的天體物理學家高特 (J. R. Gott) 發(fā)現兩條無限長的平行宇宙弦以接近光速的速度彼此擦身而過時， 也會在周圍形成閉合類時曲線。”
　　上述兩個結果，并沒有經過證實，因此在科學論述中，只能稱為假設，而不能稱為發(fā)現。下面一段話，明確的表明，弦沒有證實，那么有關弦的性質，全是假設。請讀者不要誤會。
　　“與梯普勒人為引進的旋轉柱體不同的是， 宇宙弦的存在雖然還沒有明確的實驗證據， 但它是許多前沿物理理論所預言的東西。”

參 考 資 料1

廣義相對論與時間旅行 廣義相對論與時間旅行

 

一九四九年， 著名邏輯學家哥德爾 (K. Gödel) 在廣義相對論中發(fā)現了一個非常奇特的解， 描述一個整體旋轉的宇宙 - 哥德爾宇宙。 在這種宇宙中， 物質的旋轉對時間方向會產生拖曳作用， 離旋轉中心越遠， 拖曳作用就越顯著。 在足夠遠的地方， 拖曳作用足以形成閉合類時曲線。 因此在哥德爾宇宙中只要讓飛船沿某些遠離旋轉中心的軌道運動， 原則上就可以實現時間旅行。 哥德爾這位曾經以不完全性定理震撼整個數學界的邏輯學家， 又用他的旋轉宇宙震動了包括愛因斯坦本人在內的許多物理學家。

可惜的是， 哥德爾宇宙并不符合天文觀測。 首先， 我們所生活的宇宙并不存在整體的旋轉【注四】； 其次， 在哥德爾宇宙中宇宙學常數是負的， 而我們觀測到的宇宙學常數卻是正的。 因此我們所生活的宇宙顯然不是哥德爾宇宙。 定量的計算還表明， 即便我們真的生活在一個哥德爾宇宙中， 也很難實現時間旅行， 因為沿哥德爾宇宙中的閉合類時曲線運行一周所需的時間與宇宙的物質密度有關， 對于我們所觀測到的密度而言， 沿閉合類時曲線運行一周起碼需要幾百億年的時間。 因此哥德爾宇宙對于時間旅行并無現實意義。

廣義相對論與時間旅行 相關條目

 

哥德爾宇宙雖然沒有現實意義， 但它的發(fā)現表明廣義相對論的確允許閉合類時曲線的存在， 這本身就是一個鼓舞人心的結果。 自那以后， 物理學家們在廣義相對論中又陸續(xù)發(fā)現了其它一些允許閉合類時曲線的解。 一九七四年， 美國圖蘭大學 (Tulane University) 的物理學家梯普勒 (F. J. Tipler) 研究了一個無限長旋轉柱體外部的時空【注五】， 結果發(fā)現只要旋轉速度足夠快， 這樣的柱體對外部時空所起的拖曳作用也足以形成閉合類時曲線。 一九九一年， 普林斯頓大學的天體物理學家高特 (J. R. Gott) 發(fā)現兩條無限長的平行宇宙弦以接近光速的速度彼此擦身而過時， 也會在周圍形成閉合類時曲線。 與梯普勒人為引進的旋轉柱體不同的是， 宇宙弦的存在雖然還沒有明確的實驗證據， 但它是許多前沿物理理論所預言的東西。 因此高特的結果把時間機器在理論上的可能性又推進了一步。

但是梯普勒與高特為了數學上的便利都引進了無限長的物質分布， 這在現實世界中是不可能嚴格實現的。 假如物質的分布不是無限的， 還可以得到類似的結果嗎？ 物理學家們對此也做了研究。 一九九二年， 著名物理學家霍金 (S. Hawking) 給出了一個令人沮喪的結果， 那就是如果能量密度處處非負， 那么在任何有限時空區(qū)域內建造時間機器的努力都會產生物理學家們最不想看到的東西 - 時空奇點【注六】。 時空奇點對于研究廣義相對論的人來說并不陌生， 它具有一系列令人頭疼的性質， 比如物質的密度發(fā)散， 時空的曲率發(fā)散， 等【注七】。 雖然沒有人確切知道時空奇點的出現會對時間旅行產生什么影響， 但這種影響有可能是兇多吉少。

這些結果對于建造時間機器無疑是壞消息， 但細心的讀者也許已經注意到， 在上面的結果中有一個限制條件， 那就是 “能量密度處處非負”。 這個條件粗看起來是非常合理的， 但我們在本文的姊妹篇 蟲洞: 旅行家的天堂還是探險者的地獄？ 中已經看到， 負能量物質的存在不僅在理論上是可能的， 而且已經得到了實驗的證實。 倘若考慮到負能量物質的存在， 情況又如何呢？ 這個問題其實在霍金的結果出現之前就已經有人進行了研究。 一九八八年， 加州理工大學的物理學家索恩 (K. S. Thorne) 與莫里斯 (M. Morris) 等在研究可穿越蟲洞時發(fā)現蟲洞不僅是空間旅行的通道， 而且還可以作為時間旅行的工具。 只要讓蟲洞的出入口以接近光速的速度作適當的運動， 就可以將蟲洞轉變成時間機器【注八】。 他們的這一結果把科幻小說中最具魅力的兩個概念 - 蟲洞與時間機器 - 聯系在了一起， 集萬千寵愛于一身， 很快就成為了建造時間機器的熱門方案。 而且由于蟲洞中含有負能量物質， 因此他們的時間機器可以逃脫霍金的結果， 不導致時空奇點。

但是索恩等人的蟲洞時間機器雖然可以躲過霍金的詰難， 卻立即遇到了另一個棘手的問題， 那就是蟲洞一旦成為時間機器， 任何微小的量子漲落都有可能通過這樣的蟲洞返回過去， 與它本身產生疊加。 這種疊加過程可以在零時間內重復無窮多次， 由此產生的自激效應足以在瞬息之間將時間機器徹底摧毀！ 這種效應不僅危及索恩等人的蟲洞時間機器， 對其它類型的時間機器也同樣具有威脅。 一九九二年， 霍金干脆提出了著名的時序保護假設 (Chronology Protection Conjecture)， 認為自然定律不會允許建造時間機器。 不過這還只是一個假設， 而且霍金的論據也不是無懈可擊的， 對時間機器的理論可行性持樂觀看法的物理學家們陸續(xù)提出了一些模型來突破霍金對時間機器的封殺。 到目前為止， 這方面的討論仍在繼續(xù)。