時間旅行的思想從何而來

時間旅行的思想從何而來

時間機(jī)器最初是科學(xué)實(shí)踐，但在廣義上，數(shù)量子場理論中存在著昆蟲洞穴和封閉的時間線，這意味著未來的文明世界可以為我們提供時間機(jī)器。但是,有關(guān)封閉類時線,負(fù)能物質(zhì)的討論,恰好是在不同的理論框架中進(jìn)行的,在統(tǒng)一的量子引力論出現(xiàn)以前,從一個物理理論中預(yù)言時間機(jī)器的可能性,在涉及到另外一個與其不通約或不相容的物理理論時,會變得失去意義或得出自相矛盾的結(jié)論。時間機(jī)器內(nèi)在的因果反常,正是廣義相對論中封閉類時線的常規(guī)理解與體現(xiàn)常識的熱力學(xué)不相協(xié)調(diào)的一個理論證明。通過引力場中熱現(xiàn)象與量子現(xiàn)象的分析,可以發(fā)現(xiàn)在廣義相對論中,封閉類時線來源于各種視界的鏡面效應(yīng)。在量子論或量子場論中,封閉類時線起源于某種類似于負(fù)反饋的自組織機(jī)制,其中德布羅意指出的量子波動的內(nèi)在時鐘變量與作為坐標(biāo)的外部時間的混同導(dǎo)致了符合自恰性原理的封閉類時線仿佛存在著。只有從熱力學(xué)約束的角度重新理解相對論或量子論的反常特征,有關(guān)時間機(jī)器的因果反常的討論,才會作為有趣的科幻小說或自相矛盾的廢話,從物理學(xué)研究中排除掉。廣義相對論與量子論的暗示時間機(jī)器可能性能夠自由進(jìn)入過去與未來的時間機(jī)器首先出現(xiàn)在英國科幻小說家威爾士的作品《時間機(jī)器》中?；孟胄≌f向未來與過去的虛擬時間旅行可以暫時不考慮因果反常問題,但實(shí)際上時間旅行的因果反常在后來的幻想小說《回到未來》中被構(gòu)想出來了,比如如何避免回到過去的時間旅行導(dǎo)致父母無法結(jié)婚使自己無法出生的矛盾情景。時間機(jī)器導(dǎo)致的另一種佯謬是所包含的事件沒有任何開端。例如,讓我們設(shè)想一位窮困潦倒但是富有奮斗精神的發(fā)明家,他在自己雜亂的地下室里試圖制造世界上第一臺時間機(jī)器。此時突然出現(xiàn)一位富有的年長紳士,他向發(fā)明家提供了大筆資金和一些復(fù)雜的方程組,間接地幫助發(fā)明家制造時間機(jī)器。接著,發(fā)明家靠著時間旅行的學(xué)問富裕起來。數(shù)十年以后,已非常富有并已漸老的他及時返回過去履行自己的使命。他遇上了他自己——一位在他的地下室工作的年輕人,他把有關(guān)時間旅行的秘密告訴了年輕的自己,并且給了可籍以利用的錢。問題是,時間旅行的思想到底從何而來?采用虛擬歷史或虛擬未來的多世界解釋,似乎能夠避免因果反常的悖論,但是這樣一來,一個可以共同溝通的客觀現(xiàn)實(shí)世界也不可避免地成了虛擬歷史演化的產(chǎn)物,我們內(nèi)心的可靠記憶將被迫不斷地歪曲分化為相互沖突的虛擬歷史體驗(yàn)。盡管在幻想小說的層面就已經(jīng)暴露了時間旅行的困境,但是廣義相對論與量子論的前沿科學(xué)討論不斷地暗示著時間機(jī)器的可能性。首先,廣義相對論在宇宙大爆炸與黑洞過程中預(yù)言了時空奇點(diǎn)的存在。時空奇點(diǎn)的存在使得四維時空可能存在著非平庸的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),一個無限大平面與一個無限大環(huán)面都是無邊界的和曲率處處為零的,其中平面上任意的圓總是可能收縮到一個點(diǎn),而環(huán)面是多連通的,環(huán)周上的圓無法收縮到一個點(diǎn)。真實(shí)的三維空間可能是復(fù)連通的,某些黑洞的度規(guī)就顯示出在時空中可能存在蟲洞的客體;在二維模型中,蟲洞相當(dāng)于連通兩個大曲面的細(xì)管。但是,史瓦西黑洞的視界阻礙了穿越蟲洞(這種蟲洞叫愛因斯坦-羅森橋)的雙向旅行,而且由于它的咽喉收縮得很快,甚至單向穿越也是不可能的,即使能穿越這個蟲洞,也必須是超光速運(yùn)動的物體,而帶電的或旋轉(zhuǎn)的黑洞的幾何度規(guī)則聯(lián)系著無數(shù)個過去與未來的宇宙,使得時空成為多連通的,甚至提供了隨意進(jìn)入過去或未來的時間機(jī)器的可能性。但是,存在著一些否定這類時間機(jī)器的物理理由。首先,在這類蟲洞附近,引力場極強(qiáng),有可能破壞飛行器,而且時間在蟲洞中會慢下來,在中心區(qū)趨于完全停止,從而使空間旅行者需要花無窮長時間穿越蟲洞。其次,描述黑洞度規(guī)的彭羅斯圖過于理想化,恒星物質(zhì)與黑洞霍金輻射效應(yīng),白洞的不穩(wěn)定效應(yīng)將堵死彭羅斯圖的絕大部分區(qū)域,從而消滅了時間機(jī)器或到其他宇宙作空間旅行的任何可能性。一些學(xué)者認(rèn)為如果蟲洞的咽喉處附加上某種能量條件,并且物質(zhì)在穿越時間機(jī)器時符合自恰性原理,明確禁止改變過去,則蟲洞與時間機(jī)器仍然可能存在。比如,索恩在1985年提出設(shè)想,可以利用負(fù)能物質(zhì)來破壞平均弱能條件,并通過強(qiáng)電場使時空開裂,形成引力場強(qiáng)度較小,又相當(dāng)穩(wěn)定而不會堵塞的短距離可穿越的蟲洞。這類蟲洞符合愛因斯坦方程,它使我們能夠產(chǎn)生一種非凡的時空組態(tài),時間在這個組態(tài)中被彎成一個圈,形成封閉類時線。這種封閉類時線看起來能填充過去,而不是改變過去而引起因果性錯亂的時間佯謬。實(shí)際上,旋轉(zhuǎn)或帶電黑洞內(nèi)部的封閉類時線也與負(fù)能區(qū)域的存在有關(guān)。為了使時間旅行能成功進(jìn)行,能量必須暫時變成負(fù)能量。但是,負(fù)能量在過去一直遭到相對論專家的反對。他們認(rèn)為,負(fù)能量將使反引力以及許許多多從來沒有在實(shí)驗(yàn)中觀察到的其他現(xiàn)象成為可能。實(shí)際上,丘成桐等人證明的正能定理就是否定負(fù)能物質(zhì)的理論根據(jù),但是正能定理即使在相對論成立時,也不足以排除局部的負(fù)能區(qū)域(被視為非實(shí)物的負(fù)能引力場區(qū)域)的存在。不過,索恩很快就指出有一種方法能獲得負(fù)能量,那就是通過量子理論中的卡西米爾效應(yīng)。制造卡西米爾效應(yīng)的一種方法就是在每個蟲洞的入口處放兩塊大的導(dǎo)電平行板,由此在蟲洞的每一端產(chǎn)生負(fù)能量。通過物質(zhì)聚合的引力和奇點(diǎn)形成的引力,蟲洞的入口將被關(guān)閉。與卡西米爾效應(yīng)有關(guān)的量子效應(yīng)也許能夠產(chǎn)生量子反引力,能夠同質(zhì)量的引力相抗衡。反引力在蟲洞的內(nèi)部抵消引力的作用,從而保持蟲洞開放。但是,正如索恩和他的同事們所總結(jié)的那樣,也許結(jié)果將表明:“平均弱能條件永遠(yuǎn)不能違背。在這種情況下,不可能存在諸如可穿越的蟲洞,時間旅行或者因果性失效這樣的事情。在你到達(dá)一座橋之前就想通過它,那實(shí)在是為時過早了?！?985年,索恩在薩根的影響下試圖找到這樣一種蟲洞:①滿足愛因斯坦方程,而且無強(qiáng)大引力場;②蟲洞是穩(wěn)定的;③蟲洞的旅行時間足夠短。從這些條件出發(fā),索恩求助于卡西米爾效應(yīng)產(chǎn)生的負(fù)能物質(zhì)構(gòu)造了弱場與可穿越的時間機(jī)器?，F(xiàn)在,對索恩的時間機(jī)器的評判還沒有定論。所有人都承認(rèn),決定性因素是無論何時都需要一種完全量子化的引力理論來徹底解決問題?；艚饘λ鞫鞯南x洞持保留看法?；艚鹫J(rèn)為大自然厭惡時間機(jī)器;他把這種厭惡表達(dá)為一個猜想,一個能維持時間次序的良序猜想,他指出,物理規(guī)律不允許時間機(jī)器。假如自然界允許時間機(jī)器存在,比我們更先進(jìn)的外星人也許早已乘著時間機(jī)器,向我們贈送來自未來的禮物了?；艚鸱磳λ鞫鲿r間機(jī)器的一個理由是,蟲洞入口處發(fā)出來的輻射相當(dāng)大,它們將反饋到愛因斯坦方程組所包含的質(zhì)能內(nèi)容中。這種像愛因斯坦方程組的反饋將會使蟲洞入口發(fā)生畸變,甚至可能永遠(yuǎn)關(guān)閉它。但是,索恩不同意輻射將會強(qiáng)到足以關(guān)閉蟲洞入口的觀念?；艚鸱磳r間機(jī)器的另一個理由是基于猜測,大自然是通過真空漲落束的生長來加強(qiáng)維護(hù)時間順序的:當(dāng)我們想做時間機(jī)器時,不論用什么樣的事物(如蟲洞,旋轉(zhuǎn)柱,“宇宙弦”或其他什么東西),在它成為時間機(jī)器前,總會有一束真空漲落穿過它,并破壞它。索恩認(rèn)為,即使霍金對了,真空漲落束會不會破壞蟲洞,仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有說明——尋找確定的結(jié)果,需要我們認(rèn)識量子引力在時間機(jī)器形成那一時刻附近10-95秒的間隔內(nèi)會做些什么。簡單地說,量子引力將蟲洞能否成為時間機(jī)器的答案藏起來了。索恩認(rèn)為,在物理學(xué)家深刻認(rèn)識量子引力定律之前,我們誰也不能肯定。量子論中負(fù)能物質(zhì)的可能時間機(jī)器的科學(xué)討論,實(shí)際上涉及不同物理理論中封閉類時線是否存在,如果存在又有什么意義的問題?；艚鹋c索恩關(guān)于時間機(jī)器的討論,實(shí)質(zhì)上是把不相容的廣義相對論與量子論中出現(xiàn)的封閉類時線放在同一個層次上討論的結(jié)果,這就象生物學(xué)上的猴子與《西游記》中的猴子被混合在一起討論,得出有趣而又混亂的問題——石頭化育出猴子的概率有多大?生命起源理論與進(jìn)化論暗示著無機(jī)物化育出生物的可能性(石頭產(chǎn)生猴子),與未來的量子引力論暗示著自然界具有極不可幾的概率產(chǎn)生時間機(jī)器,似乎具有同樣的問題情境。但是,生物學(xué)理論關(guān)于猴子的文本描述,與《西游記》關(guān)于猴子的文本描述,實(shí)際上是兩個不可溝通的可能世界中的同類對象的描述,只是在想象的層面上兩類描述具有可比照性。因此,即使生命起源理論與進(jìn)化論暗示著無機(jī)物化育出生物的可能性,與《西游記》中石頭產(chǎn)猴的神話描述是完全不同的兩回事,前者是原則上公共可觀察的,后者只是在神話中我們假裝發(fā)生過石頭產(chǎn)猴的事情。封閉類時線在廣義相對論與量子論中都出現(xiàn),但是把某一個理論中允許封閉類時線存在的可能性,引申到不相容的另一個理論中去討論時,時間旅行似是而非的可能性,就像石頭產(chǎn)猴的神話似乎能夠成為現(xiàn)實(shí)一樣,被認(rèn)真地討論了。時間機(jī)器的佯謬,類似于猴子的生物學(xué)描述與神話描述的文本混同。索恩求助于量子論產(chǎn)生負(fù)能物質(zhì)的可能性,作為廣義相對論中負(fù)能物質(zhì)產(chǎn)生蟲洞與時間機(jī)器的依據(jù),正如把神話中石頭產(chǎn)猴的可能性,作為生物學(xué)問題討論一樣,是一個有趣、混亂與無意義的問題。量子論中負(fù)能物質(zhì)的可能存在,在狄拉克電子真空海洋的假說中就出現(xiàn)了。狄拉克把真空看作是負(fù)能態(tài)電子完全填充的海洋,當(dāng)負(fù)能電子的空穴出現(xiàn)時,表現(xiàn)為一個電子的反粒子——正電子。量子論背景中的負(fù)能物質(zhì),預(yù)設(shè)的時空舞臺是符合洛倫茲變換的閔可夫斯基慣性時空,正能物質(zhì)與負(fù)能物質(zhì)相對于真空的平直時空是鏡像對稱的,就像在平直鏡面中物體的鏡像與物體高度對稱。廣義相對論中的負(fù)能物質(zhì),預(yù)設(shè)的時空舞臺是具有廣義協(xié)變性的黎曼彎曲時空,正能物質(zhì)與負(fù)能物質(zhì)在彎曲時空中的新變換中,是否鏡像對稱就是一個懸而未決問題,這就像物體在彎曲的哈哈鏡中的鏡像如何與物體建立鏡像對稱是個困難問題一樣。當(dāng)平直時空中的負(fù)能物質(zhì),直接轉(zhuǎn)換到彎曲時空的舞臺中扮演物理角色時,時間旅行的虛假可能性就作為理論物理的荒誕劇上演了。封閉類時線在廣義相對論中的存在,是1949年哥德爾的旋轉(zhuǎn)宇宙模型中首先提出來的。哥德爾理論的出發(fā)點(diǎn)是:我們的宇宙是旋轉(zhuǎn)的,其物質(zhì)也是旋轉(zhuǎn)的。根據(jù)這一猜想,限定類時間曲線范圍的光錐被旋轉(zhuǎn)的宇宙朝旋轉(zhuǎn)的方向傾斜,它們產(chǎn)生一種變形,通過這種方式,某一區(qū)域的未來的光錐部分同相鄰區(qū)域的過去的光錐部分發(fā)生重疊。如果旋轉(zhuǎn)軸之間的距離足夠大,那么當(dāng)光錐傾斜時,每兩個相鄰光錐的未來部分和過去部分的光錐會發(fā)生相互作用。在哥德爾宇宙中,時間旅行者可以在時空中的某一點(diǎn)出發(fā),在封閉的時間軌道上環(huán)繞整個宇宙,最后又回到出發(fā)的地點(diǎn)與時間。1963年,Newman,Unti和Tamburino發(fā)現(xiàn)了一個類似黑洞的愛因斯坦場方程解。與哥德爾宇宙解一樣,NUT宇宙也允許出現(xiàn)封閉類時線與時間旅行。NUT宇宙,就像螺旋樓梯,當(dāng)你繞著黑洞走360°后,你并沒有回到原來的出發(fā)點(diǎn),而是轉(zhuǎn)到這個宇宙的另一面。1974年,物理學(xué)家蒂普勒發(fā)表了《旋轉(zhuǎn)的圓柱體及全面違背因果關(guān)系的可能性》的論文,這里的“全面違背因果關(guān)系”就是指時間旅行。他設(shè)想一個旋轉(zhuǎn)的,裸露的奇點(diǎn),同它的類時間的封閉軌道一起構(gòu)成了一個自然的時間機(jī)器。借助蒂普勒的時間機(jī)器,人們不僅可以進(jìn)行未來的旅行,同樣也可以回到過去,但卻不能向后越過制造時間機(jī)器的那個點(diǎn)而回到在此以前的世界。廣義相對論中的封閉類時線,似乎帶來了制造時間機(jī)器的希望。但實(shí)際上,封閉類時線往往被某種視界所包圍。旋轉(zhuǎn)是一種變加速運(yùn)動,黑洞或裸奇點(diǎn)的引力場也可以根據(jù)等效原理,采用變加速運(yùn)動來模擬。一面變加速運(yùn)動的鏡子,在運(yùn)動的一定范圍內(nèi),可以將反射光送回光源附近,但是隨著鏡子的加速度變大,離光源的距離變大,鏡子本身會在一定距離外消失,并留下一個殘余輻射的影像,這與強(qiáng)引力場或旋轉(zhuǎn)慣性力場產(chǎn)生的視界的霍金輻射或安魯效應(yīng)是等效的。一旦認(rèn)識到視界具有運(yùn)動鏡面的性質(zhì),我們就可以推測廣義相對論中的封閉類時線,很可能是物體運(yùn)動的世界線在視界鏡面附近出現(xiàn)的多種鏡像。在克爾黑洞中,封閉類時線出現(xiàn)在內(nèi)外視界之間的負(fù)能區(qū)域;既然一個物體在兩面平行鏡子之間可以產(chǎn)生無窮多鏡像,那么一個粒子在內(nèi)外視界之間的混沌運(yùn)動產(chǎn)生無數(shù)鏡像也是可以想象的,正是因?yàn)榱Ｗ隅R像的世界線與粒子本身的世界線被交織在一起了,封閉類時線與各種時序混亂就會出現(xiàn)。如果采用心理過程類比,我們發(fā)現(xiàn)在思緒混亂或夢境中,記憶中的事件也會出現(xiàn)時序混亂一樣,這是信息反映環(huán)節(jié)太多帶來的類似多重鏡像效應(yīng)。為了理解哥德爾旋轉(zhuǎn)宇宙的封閉類時線,我們也需要考慮旋轉(zhuǎn)等非慣性運(yùn)動是否會產(chǎn)生類似于黑洞或宇宙的視界效應(yīng)。一旦這個解釋成立,廣義相對論中的時間機(jī)器就會成為與各種視界的安魯-霍金效應(yīng)有關(guān)的鏡面幻像。另外,由于在量子論中弱等效原理失效,只要考慮哥德爾宇宙中任一運(yùn)動軌道會由于所代表的粒子的質(zhì)量不同而分化為不同的軌線,封閉類時線由于弱等效原理的失效自然就揭開了。量子論中的封閉類時線與諾維科夫提出的自洽性原理相聯(lián)系。自洽性原理指出:在封閉類時線上的事件必須是自洽的,而且該曲線上的每一個事件都必須是自我調(diào)整的,循環(huán)的自洽形式,圍繞著封閉類時曲線相互影響。自洽性的要求使將來的事件對于過去的事件可能的形式會發(fā)生某種約束。因果律不是單純的過去決定將來,它同時還包含了將來對于現(xiàn)在和過去的反作用,但這些反作用是以自洽的方式進(jìn)行的。在量子力學(xué)中引入自洽性原理的簡單方法也許就是費(fèi)曼的路徑積分方案,又叫歷史求和方案。在這些求和中,包括了所有那些,且只有那些自洽的歷史。正如霍金指出的那樣,費(fèi)曼的歷史求和,不僅包含粒子旅行得比光還快的歷史,甚至必須包括粒子在時間中往回走的歷史,還包括在時間與空間中的封閉圈,即自動包括封閉類時線。但是,人們不能用粒子探測器來直接觀測這種處于閉合圈環(huán)歷史中的粒子?；艚鹬赋?粒子在給定的時空背景中沿一個閉合圈環(huán)運(yùn)動,或者粒子不動,空間與時間在微觀層面圍繞它發(fā)生量子起伏而導(dǎo)致局部的時空彎曲是一致的。由于霍金堅持實(shí)證主義立場,他把費(fèi)曼圖當(dāng)作是為了運(yùn)算而引入的虛構(gòu)與方便工具,因此不關(guān)心如何解釋封閉類時線。但是,早在1959年前,加拿大科學(xué)哲學(xué)家馬里奧·本格就認(rèn)為,我們需要尋求取代目的論機(jī)制的實(shí)在的自組織相互作用機(jī)制,其中破壞因果性的封閉時空圈環(huán)有可能被