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时间简史_第十章 虫洞和时间旅行

史蒂芬·霍金
科普学习
总共19章(已完结

时间简史 精彩片段:

第十章 虫洞和时间旅行

我们在上一章讨论了,为什么我们看到时间向前进;为什么无序度增加并且我们记住过去而不是将来。时间好像是一条笔直的铁轨,人们只能往一个方向前进。

如果该铁轨有环圈以及分叉,使得一直往前开动的火车却返回原先通过的车站,这是怎么回事呢?换言之,人们可能旅行到未来或过去吗?

H·G·韦尔斯在《时间机器》中探讨了这些可能性,正好像其他无数的科学幻想作家那样。科学幻想的许多观念,如潜水艇以及飞往月亮等等都被科学实现了。那么,时间旅行的前景如何呢?

1949年库尔特·哥德尔发现了广义相对论允许的新的时空。这首次表明物理学定律的确允许人们在时间里旅行。哥德尔是一名数学家,他因证明了不完备性定理而名震天下。该定理是说,不可能证明所有真的陈述,哪怕你把自己限制去证明在像算术这么一目了然而且枯燥的学科中所有真的陈述。这个定理也许是我们理解和预言宇宙能力的基本极限,然而迄今它还未成为我们寻求完整统一理论的障碍。

哥德尔在和爱因斯坦于普林斯顿高级学术研究所度过他们晚年时通晓了广义相对论。他的时空具有一个古怪的性质:整个宇宙都在旋转。人们也许会问:“它相对于何物而旋转?”其答案是远处的物体绕着小陀螺或者陀螺仪的指向旋转。

这导致了一个附加的效应,一位航天员可以在他出发之前即回到地球。这个性质使爱因斯坦非常沮丧,他曾经以为广义相对论不允许时间旅行。然而,鉴于爱因斯坦对引力坍缩和不确定原理的无端反对,这也许反而是一个令人鼓舞的迹象。因为我们可以证明,我们生存其中的宇宙是不旋转的,所以哥德尔找到的解并不对应于它。它还有一个非零的宇宙常数。宇宙常数是当爱因斯坦以为宇宙是不变时引进的。在哈勃发现了宇宙的膨胀后,就不再需要宇宙常数,而现在普遍认为它应为零。然而,之后从广义相对论又找到其他一些更合理的时空,它们允许旅行到过去。其中之一即是旋转黑洞的内部。另外一种是包含两根快速穿越的宇宙弦的时空。顾名思义,宇宙弦是弦状的物体,它具有长度,但是截面很微小。实际上,它们更像在巨大张力下的橡皮筋,其张力大约为1亿亿亿吨。把一根宇宙弦系到地球上,就会把地球在1/30秒的时间里从每小时零英里(1英里=1.609公里)加速到每小时60英里(1英里=1.609公里)。宇宙弦初听起来像是科学幻想物,但有理由相信,它在早期宇宙中可由在第五章讨论过的那种对称破缺机制而产生。因为宇宙弦具有巨大的张力,而且可以从任何形态起始,所以它们一旦伸展开来,就会加速到非常高的速度。

哥德尔解和宇宙弦时空一开始就扭曲,使得总能旅行到过去。上帝也许会创生了一个如此卷曲的宇宙,但是我们没有理由相信他上帝会这样做。微波背景和轻元素丰度的观测表明,早期宇宙并没有允许时间旅行的曲率。如果无边界设想是正确的,从理论的基础上也能导出这个结论。这样问题就变成:如果宇宙初始就没有时间旅行所必须的曲率,我们能否随后把时空的局部区域卷曲到这种程度,以至于允许时间旅行?

快速恒星际或星系际旅行是一个密切相关的问题,也是科学幻想作家所关心的。根据相对论,没有东西比光运动得更快。因此,如果我们向我们最近邻的恒星α-半人马座——发送空间飞船,由于它大约在4光年那么远,所以我们预料至少要8年才能等到旅行者们回来报告他们的发现。如果要去银河系中心探险,至少要10万年才能返回。相对论确实给了我们一些宽慰。这就是在第二章提及的双生子佯谬。

因为时间不存在惟一的标准,而每一位观察者都拥有他自己的时间。这种时间是用他携带的时钟来测量的,这样航程对于空间旅行者比对于留在地球上的人显得更短暂是可能的。但是,这对于那些只老了几岁的回程的空间旅行者,并没有什么值得高兴的,因为他发现留在地球上的亲友们已经死去几千年了。这样,科学幻想作家为了使人们对他们的故事有兴趣,必须设想有朝一日我们能运动得比光还快。大部分这些作家似乎未意识到的是,如果你能运动得比光还快,则相对论意味着,你能向时间的过去运动,正如以下五行打油诗所描写的那样:

有位年轻小姐名怀特,

她能行走得比光还快。

她以相对性的方式,

在当天刚刚出发,

却已在前晚到达。

作品简介:

本书是“第一推动丛书”第一辑的一种。 时间有初始吗?它又将在何地终结呢?宇宙是无限的还是有限的? 霍金教授遨游到外层空间奇异领域,对遥远星系、黑洞、夸克、大统一理论、“带味”粒子和“自旋”粒子、反物质、“时间箭头”等进行了深入探讨--其出乎意外的含义引起了人们的极大兴趣。他揭示了当日益膨胀的宇宙崩溃时,时间倒溯引起人们不安的可能性,那时宇宙分裂成11维空间,一种“没有边界”的宇宙理论可能取代大爆炸理论和上帝,上帝--也许曾是造万物时主要推动者,也会因这些新发现而日渐范围变窄。

《时间简史》对我们这些喜用言语表达甚于方程式表达的读者而言是一本里程碑式的佳书。她出于一个对人类思想有杰出贡献者之手,这是一本对知识无限追求之作,是对时空本质之谜不懈探讨之作。

史蒂芬·霍金的《时间简史》自1988年首版以来的岁月里,已成为全球科学著作的里程碑。它被翻译成40种文字,销售了近1000万册,成为国际出版史上的奇观。该书内容是关于宇宙本性的最前沿知识,但是从那以后无论在微观还是宏观宇宙世界的观测技术方面都有了非凡的进展。这些观测证实了霍金教授在该书第一版中的许多理论预言,其中包括宇宙背景探险者卫星……

史蒂芬·霍金生于1942年,他的生日恰好与伽利略去世的纪念日是同一天。他现任剑桥大学卢卡斯数学系教授教席(这一职位曾由艾萨克·牛顿担任)。他被誉为继爱因斯坦后最杰出的理论物理学家。他于1993年出版了《霍金讲演录——黑洞、婴儿宇宙及其他》。这本书是理论物理学方面的经典著作,其中的内容已被许多科学论文和书籍引用。

作者:史蒂芬·霍金

翻译:许明贤吴忠超

标签:史蒂芬·霍金时间简史科普物理自然科学宇宙

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