根據目前的物理理論,人類有可能進行時間旅行嗎?

正如幾位回覆者指出的那樣,我們一直在時間中旅行——只是向前,並且以相同的速度。但說真的,正如加州大學聖巴巴拉分校的物理學教授加里·T·霍洛維茨所指出的那樣,時間旅行不僅僅是幻想。

“或許令人驚訝的是,這實際上是一個微妙的問題。我們目前的自然規律並沒有明顯地排除這種可能性。最近對這個問題的研究提供了一些證據,表明答案是否定的,但尚未被證明是不可能的。”

即使是時間旅行的微小可能性也產生了如此大的吸引力,以至於許多物理學家繼續研究的不僅是它是否可能,還有如何實現它。


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該領域的主要研究人員之一是蒙大拿州立大學的物理學教授威廉·A·希斯科克。以下是他對此事的看法:

“有可能進行時間旅行嗎?要回答這個問題,我們必須更具體地說明我們所說的“時間旅行”是什麼意思。撇開時間的日常程序不談,這個問題可以分為兩部分:是否有可能在短時間內(少於人類的壽命)旅行到遙遠的未來?是否有可能回到過去?”

“我們目前對基本物理學的理解告訴我們,第一個問題的答案是肯定的,而第二個問題的答案可能是肯定的。”

“旅行到遙遠未來的機制是利用狹義相對論的時間膨脹效應,該效應指出,移動的時鐘越接近光速,其滴答速度就越慢。這種效應已得到大量實驗測試的支援,適用於所有型別的時鐘,包括生物衰老。”

“如果一個人乘坐宇宙飛船離開地球,宇宙飛船可以以舒適的一個g(一種產生等於地球表面重力的力)的加速度持續加速,那麼他大約在一年內就會開始接近相對於地球的光速。隨著飛船繼續加速,它會越來越接近光速,它的時鐘相對於地球的執行速度會越來越慢。在這種情況下,往返銀河系中心並返回地球——大約 60,000 光年的距離——只需要 40 多年的飛船時間即可完成。當返回地球時,宇航員只會老 40 歲,而地球上已經過去了 60,000 年。(請注意,這裡沒有“雙生子悖論”,因為毫無疑問,太空旅行者已經感受到了 40 年的持續加速,而留在圍繞地球執行的宇宙飛船上的假設的雙胞胎則沒有。)”

“這樣的旅行會帶來巨大的工程問題:所需的能量,即使假設質量完美地轉化為能量,也大於行星的質量。但是,已知的物理定律中沒有任何東西可以阻止這種旅行發生。”

“回到過去的時間旅行,這才是人們通常所說的時間旅行,是一個更加不確定的命題。愛因斯坦廣義相對論的方程有很多解,允許一個人沿著一條時間線,導致她(或他)在較早的時間遇到自己——或者她的祖母。問題是決定這些解決方案是否代表了現實宇宙中可能出現的情況,或者它們是否僅僅是與已知物理學不相容的數學怪癖。沒有任何實驗或觀察表明時間旅行正在我們的宇宙中發生。理論物理學家在過去十年中做了大量工作,試圖確定在一個最初沒有時間旅行的宇宙中,是否可以製造時間機器——換句話說,是否有可能操縱物質和時空幾何,以建立新的路徑,從而在時間上迴圈返回。”

“如何製造時間機器?目前正在討論的最簡單的方法是使用蟲洞(連線時空分離區域的隧道),並使蟲洞的一個口相對於另一個口具有相當大的速度。那麼,穿過蟲洞將允許穿越到過去。”

“說起來容易——但是從哪裡獲得蟲洞呢?儘管過去十年對蟲洞的理論特性進行了廣泛研究,但對於如何形成一個足夠大到足以讓人類或宇宙飛船透過的宏觀蟲洞知之甚少。一些關於量子引力的推測性理論告訴我們,時空在最小尺度上具有複雜的泡沫狀蟲洞結構——10^-33釐米,或比電子小十億億倍。一些物理學家認為,有可能抓住這些真正微觀的蟲洞之一併將其放大到可用的大小,但目前這些想法都是非常假設性的。”

“即使我們有蟲洞,自然會允許我們將其轉換為時間機器嗎?斯蒂芬·霍金提出了“時間順序保護猜想”,該猜想指出自然法則阻止了時間機器的創造。然而,目前這僅僅是一個猜想,尚未得到證實。”

“理論物理學家研究了物理學的各個方面,以確定這條或那條定律是否可以保護時間順序並禁止建造時間機器。然而,在所有的搜尋中,只發現了一點可能禁止使用蟲洞進行時間旅行的物理學知識。1982 年,美國海軍學院的黛博拉·A·孔科夫斯基和我表明,隨著時間機器的啟動,無質量量化場(例如光子)真空狀態的能量將無限增長,從而有效地阻止了它的使用。霍金和加州理工學院的基普·S·索恩的後續研究表明,尚不清楚增長的能量是否會以足夠快的速度改變時空幾何,從而阻止時間機器的執行。蒙大拿州立大學的田中恆文和我最近的工作,以及華盛頓大學的大衛·布林沃的獨立研究表明,具有質量(例如電子)的場的真空狀態能量不會增長到無限水平;這一發現表明,可能有一種方法可以設計粒子物理學,使時間機器能夠工作。”

“過去十年研究的最大驚喜或許是,物理定律並非明顯地禁止時間旅行。越來越清楚的是,這個問題可能要等到科學家們開發出適當的量子引力理論才能解決。”

密爾沃基威斯康星大學物理系的約翰·L·弗裡德曼也對這個問題進行了大量的考慮:

“狹義相對論意味著靜止(或不加速)的人或時鐘的年齡增長速度快於往返旅行中的夥伴,在往返旅行中,一個夥伴會改變方向以返回自己的夥伴。在世界上的粒子加速器中,每天都會測試這一預測:以接近光速在圓圈中移動的粒子衰變速度比靜止的粒子慢,衰變時間與理論的測量精度高度一致。”

“在狹義相對論的框架內,粒子不能比光速快的這一事實阻止了人們在高速旅行後返回到早於出發時間的時間。但是,一旦包含引力,時空就會彎曲,因此廣義相對論的方程有解,其中粒子可以沿著將它們帶回到較早時間的路徑行進。求解廣義相對論方程的幾何形狀的其他特徵包括引力透鏡、引力波和黑洞;過去二十年中,射電和 X 射線天文學的重大發現導致了引力透鏡和引力波的觀測,以及銀河系中心巨型黑洞和垂死恆星坍塌產生的恆星級黑洞的有力證據。但是似乎沒有允許時間旅行的時空區域,這提出了一個根本問題,即是什麼禁止了它們——或者它們是否真的被禁止。”

“最近的一個驚喜是,人們可以規避“祖父悖論”,即粒子路徑迴圈回到較早的時間在邏輯上是不一致的,例如,一個孫女可以回到過去來除掉她的祖父。對於幾個簡單的物理系統,物理方程的解適用於任何起始條件。在這些模型系統中,總會有某種東西介入以防止與謀殺某人的祖父類似的不一致性。”

“那麼,為什麼似乎沒有時間機器呢?有兩種不同的答案與我們的知識相符。第一個答案很簡單,經典理論的解集比正確的量子引力理論的解集要廣泛得多。因果結構以根本的方式進入量子引力,而具有時間迴圈的經典時空是虛假的——換句話說,它們不接近完整理論的任何狀態,這並非不可能。最近以時間順序保護為名的結果提供了第二個可能的答案:人們假設量子引力允許違反因果關係的微觀結構,並且表明宏觀物質的特性禁止存在具有宏觀大時間迴圈的區域。建立時間機器需要負能量,而量子力學似乎只允許極小的負能量區域。並且建立具有時間迴圈的普通大小區域所需的力量似乎非常大。”

“總結一下:物理定律很可能排除了宏觀時間機器,但時空可能充滿了微觀時間迴圈。”

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