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霍金:时间旅行

大家好。我的名字是斯蒂芬·霍金,物理学家、宇宙论者以及梦想家。虽然我的身体不能动,要依靠一台计算机说话,但是我的思想是自由的。我时常在思想的天空中探索宇宙的奥秘,比如时间旅行可能吗?我们怎么才能找到一条通往未来的隧道或捷径?、我们最终能利用自然发展成为时间的主宰吗?。

时间旅行曾经一度被视为科学狂想。我也曾经回避对此进行评论,因为担心会被认为是怪人。但是最近我不再这么谨慎了,我更像是建造巨石阵的那些人们。我为时间着迷,如果我有一架时间机器,我会去拜访全盛时期的玛丽莲·梦露;我会拜访伽利略,看他将望远镜指向天空。也许我甚至会去到宇宙的尽头,看看我们那些科幻故事有没有猜对。

要知道时间旅行有没有可能,我们要像物理学家一样思考—在思维层面上思考。这没有它听上去这么复杂,每一个小学生都知道物体,包括在椅子里的我,都存在于三维空间,都有长、宽、高。

然而,还有另一种长度存在—时间的长度。一个人可能活80年,巨石阵里的石头则已经矗立几千年了,太阳系会存在几百万年之久。每一个事物都有一个时间上的长度,就好像在第四维度里面做以时间为计量单位的旅行。

让我们想象我们在做一件普通的事情,开汽车。开直线的时候我们在一维运动,往右或左拐的时候我们进入了第二维,沿着崎岖的上路上下颠簸的时候我们又加入了第三维,这就是我们如何在三维空间里旅行。那么我们究竟如何在时间中旅行呢?怎么能早到通往第四维的道路?

让我们想一想科幻小说里的情节。穿越时光的履行通常需要一个巨大、超耗能的机器,它开辟了一条通往第四维的道路。一位勇敢也许还鲁莽的时光旅行者,他走进了时光隧道,见到很多稀奇古怪的东西。这些概念看上去很牵强,事实可能完全不是如此,但是这个想法本身却并不是那么疯狂。

物理学家们也思考过时间隧道,不过我们从另一个不同的角度来看。我们想知道,在自然法则里是否存在通往未来或过去的可能性。最终,我们决定可能性是存在的。我们甚至给这个通道取了名字:“虫洞”。事实是,虫洞就在我们身边,只不过它们非常微小,不能用肉眼发现。它们存在于空间和时间的缝隙中。你可能会觉得这是个很难接受的概念,不过请相信我。

没有什么是不可动摇的。你近距离观察任何事物,都能发现小洞和缝隙。这是一个基本的物理原理,对时间也是适用的。即使是像球一样光滑的东西也会有小裂缝、皱纹和真空。要在三维空间里证明这点会容易,但是请相信我,在四维世界里一样行得通。时间也有很细小的裂缝和真空,它们非常小,比分子更小,比原子更小,我们将这个大小称为量子泡沫。虫洞正是存在这样的空间里,穿越空间和时间常态的微小的隧道或密道也正是产生于这个量子空间。

不幸的是,这些真实存在的通道如此之微小,人类根本无法通过。不过,这正是虫洞时间机器这个想法要解决的问题。一些科学家认为,可以找到一个虫洞,然后将其放大数以万亿倍,使其做够让一个人或甚至一艘飞船通过。

如果有足够的能量和先进的技术,也许我们能够在空间中构建一个巨型虫洞。我不是说一定可能,但是如果可以的话,这将成为一项真正了不起的发明。虫洞的一端靠近地球,而另一端则远在某些遥远的星球。

理论上说,时间隧道或虫洞不只是能带我们去另外的星球。如果通道的两端都在同一个地点,隔开它们的是时间而不是距离,那么飞船可以穿梭于地球,只是很久以前的地球。也许恐龙将亲眼目睹时空飞船的着陆。

人类历史上最快的交通工具是阿波罗10号,时速达到25000千米。但是要做时间旅行,我们必须比这个速度快2000倍以上。

现在,我发现以四维的方式思考问题很困难,虫洞只是一个让人一头雾水的狡猾概念,让我们把它放在一边。我做了一个简单的实验来揭示,人类的通过虫洞进行时间旅行现在或将来有没有可能。我喜欢简单的实验和香槟酒。 于是我将这两样我喜欢的东西结合在了一起,来看看从未来到过去的旅行是不是可能。

让我们设想我正在开一个派对,一个给未来的时间旅行者的欢迎会。但是我们做了一个小小的转变。在派对开始之前,我不会让任何人知道。我会在邀请函上给出具体时间和空间,然后期待在很多很多年之后,我会以某种方式收到它的副本。也许某天,某人生活在未来的人会发现会发现这个邀请函,然后乘坐虫洞时间机器回到现在来参加我的派对。这就证明了世界旅行是可能的。

同时,我的时间旅行者应该会随时光临。五!四!三!二!一!但是没有人出现。真让人沮丧。为什么这个实验没有成功呢?原因之一,就是那个著名的穿越时间回到过去会遇到的问题,我们称之为自相矛盾。

这些自相矛盾很有趣。最著名的一个是外祖父悖论。我有一个新的更简单的版本,我把它叫做疯狂的科学家悖论。 我不喜欢电影经常把科学家描写称疯狂的人,但是在这例子中,确实是这样。如果一个科学家通过虫洞回到过去,并开枪杀死了过去的自己。如果他在过去就死了,那么也就没有之后开枪的那个他了。这是个自相矛盾。

因此,我不得不说,虫洞本身是问题所在。像这样的虫洞不存在,原因在于反馈现象。其原理很简单,声音通过麦克风,它通过电线传播,然后被扩音器放大,最后回到说话者的耳中。如果很多个说话者向麦克风发出太多的声音,它会在这个系统中不停的循环,声音越来越大,如果没有人停止,那么这个反馈将会摧毁该系统。

同样的事情也会发生在虫洞里,只不过传播的不是声音而是放射线。随着虫洞的扩大,自然放射线会进入,最终形成循环。反馈现象将变得很强,摧毁虫洞。所以u,尽管虫洞存在,尽管有一天它能被放大,它却不能存续足够久以通过一架时间机器。这就是为什么没有人从未来回到我的派对的真正原因。

任何通过虫洞或其他方法进行的时间旅行都是不可能的,否则会发生悖论。但是,故事还没有结束,并不是所有的时间旅行都被终止了。我相信时间旅行,去未来旅行。时间像河流一个流淌,我们每一个人都好想被时间无情地裹挟着。但是时间这条河还有另一面,它以不同的速度在不同的地方流淌,这就是通往未来的关键点。这个想法是由爱因斯坦在100年前提出的。他意识到,时间会在某些地方慢下来,在另一些地方快起来。他是对的,证据就在我们的头顶,在太空。

证据就是全球定位系统GPS。它由一个环绕地球的卫星网络组成,其中每个飞行器都有一个非常精确的时钟。但是即使如此精确,它们却每天都要走快万亿份之三秒。系统必须纠正这个误差,否则这个看上去很细微的差别会扰乱整个系统,导致地球上每一个GPS定位仪每天误差达6英里。你可以想象这会带来什么混乱。

问题并不出在时钟。它们之所以走快是因为时间本身在太空中走快了,造成这个不同寻常的现象的原因在于地球的巨大。爱因斯坦意识到,物质会拖住时间,使其慢下来。物体的质量越大,对时间的拖力就越大。而这个令人惊讶的事实正为我们打开了去未来做时间旅行的大门。

在银河的正中心,距我们26000光年的地方,存在着银河系质量最大的物质。这是一个超级巨大的黑洞,其质量就相当于四百万个太阳同时砸向了一个点。越靠近黑洞的地方引力越大,在最近的地方,连光线都不能逃脱。像这样的黑洞会使时间变得非常非常慢,从而成为一个天然的时间机器。

让我们来想象太空飞船是如何通过轨道运行证明这个现象的。如果控制飞行任务的太空站观测飞船每绕行黑洞一周需要16分钟,然而对于在飞船上的宇航员来说,时间变慢了一半,一次16分钟的绕行,他们只经历了8分钟。如果他们在他们的时间中绕行5年的话,当他们再次回到地球时,地球上的人们都比他们年长了5岁。

因此,超级大质量的黑洞是一个时间机器,相比起虫洞它不再导致悖论,也不会因为反馈效应自我毁灭。但是它很危险,距离很远,并且不能把我们带到很远的未来。幸运的是,还有另外一种时间旅行的方法,这是我们最后也是最好的建造时间机器的机会。

你所要做的只是,很快很快很快地旅行,甚至比逃离黑洞引力所需要的速度还快。这个方法基于另一个奇怪的自然原理。宇宙存在一个速度极限,那就光速每秒186000英里。没有东西可以快过这个速度,这是一个科学定论。不管你信不信,以接近光的速度行进能带你去到未来。

让我们想象乘坐一辆速度接近光速的火车,绕着地球一圈一圈飞行。假如火车于2050年1月1日来开站台,再绕地球飞行100年后再回到地球。这个时候地球已经是2150年,而火车上的乘客只经历了一星期的时间,因为火车内的时间被减缓了很多。于是,他们在一星期内穿越了100年来到未来。当然,建造一艘这么快的火车是很不可能的。但是, 在瑞士的日内瓦,我们已经在世界上最大的粒子加速器中制造出非常相像的东西。

在深入地下的一条16英里长的循环隧道中,一连串数以万亿的小粒子在通电后,在不到一秒的时间内,加速到每小时60000英里。增加电力将使粒子的速度变得越来越快,直到接近光速,开始时间旅行。有一种叫做pi-mesons的粒子,存续时间非常短暂,只有十亿份之二十五秒,但是当他们被加速到接近光速时,它们的存续时间延长了30倍。 就是这么简单,我们只需要走得够快就能到达未来。人类历史上最快的交通工具是阿波罗10号,时速达到25000千米。但是要做时间旅行,我们必须比这个速度快2000倍以上。要做到这个,我们需要一艘足够大的船,能够装得下加速到光速所需要的大量燃料。要接近光速,这艘飞船必须全速行驶整整6年。

由于飞船很大很重,刚开始加速可能会不明显,逐渐的它会快起来。一周内它会到达外星球,两年后它会达到半光速并远离太阳系,再过两年它能达到90NaV光速。在这个速度下,飞船上的一天相当于地球上的一整年。我们的非常真的飞向了未来。

时间减速还有另一个好处,它意味着,在理论上,人可以在一生中经历非常远的距离。到达银河系边界的旅行将只需要80年时间。但是我们的旅行真正的意义在于,它揭示了宇宙的奇妙,时间在宇宙中不同地方以不同的速度流淌,虫洞无处不在。最后,我们人类可以利用我们掌握的物理知识,成为真正的航海家,朝第五维进发。