迷人星空背後的純粹原理,
惱人算式後蘊含的簡單故事,
因為星星在那裡,跟隨引導的光輝,進入多姿的科學世界!
星際迷航、天文物理,數不清的問號,何處是解答？
質量究竟從何而來？反物質星球有可能存在？
Google的背後究竟有什麼樣的計算？
時間旅行到底是科學還是幻想？
最少要多少次轉動才能讓魔術方塊復原？
蟲洞真的能成為星際旅行的捷徑嗎？
大型強子對撞機會因產生黑洞而毀滅地球嗎？
《星際迷航》中的生命傳輸機有可能實現嗎？
蝴蝶拍動翅膀真的有可能在美國的得克薩斯州引發颶風嗎？
本書匯集了作者近年撰寫一系列科普作品的心血,包括反物質、時間旅行、混沌理論、相對論、黑洞、蟲洞、諾貝爾物理獎獲獎成果等諸多深受科學愛好者喜愛的內容。作者將以生動淺顯的文字、迷人口吻,帶領廣大科學愛好者及高中、大學生穿越迷霧般的知識叢林,啟航探索絢麗的科學世界。
目錄
序言
第一部分 數學
孿生素數猜想
魔方與“上帝之數”
ABC猜想淺說
穀歌背後的數學
第二部分 物理
從巴西的蝴蝶到德克薩斯的颶風
關於時鐘佯謬
從等效原理到愛因斯坦-嘉當理論
黑洞略談
反物質淺談
從伽利略船艙到光子馬拉松
品質的起源
纖維裡的光和電路中的影
石墨烯--從象牙塔到未來世界
囚禁的量子,開放的應用
第三部分 星際旅行漫談
因為星星在那裡
火箭:宇航時代的開拓者
生命傳輸機
蟲洞:遙遠的天梯
時間旅行:科學還是幻想？
第四部分 其他
從民間“科學家”看科普的局限性
什麼是民間“科學家”
學物理能做什麼？
關於普通科普與專業科普
自序
自序
作為一位出版了四本書的作者,如果要用一句話來概括寫書的感覺的話,那就是:寫書比寫文章累。這貌似是一句顯而易見的大白話,對我這種在寫作上有一定興趣,甚至以寫作為樂的人來說,卻是一種只有經歷過了才意識到的新感覺。這新感覺的起因也是一句顯而易見的大白話,那就是:書比文章長。不過,這個「長」對我來說與其說是篇幅之長,不如說是指所費時間之長。因為在一本書的寫作過程中,我得不斷約束自己的閱讀興趣,把主要精力投注於單一主題。另一方面,我的寫作速度又比較慢(或美其名曰「認真」),從而使得寫作過程往往長到了對題材的興趣將盡而書稿遠未完成的程度。這時候,寫書就變成了對恆心和毅力的考驗,而我--很遺憾地--曾兩度在這種考驗面前失敗過,致使《黎曼猜想漫談》和《從奇點到蟲洞》「爛尾」多年(對這一「丟人」事蹟感興趣的讀者可參閱那兩本書的後記),其「累」亦由此可見。
在這種感覺下,若有誰願把我的文章彙集成書出版,讓我既免除寫書之累,又可得出書之樂,那對我來說簡直就是「天上掉餡兒餅」的美事,幾乎要讓我生出一種「偷懶」的愧疚了。最近,這樣的美事居然落在了我的頭上--清華大學出版社願意出版我的兩本文章合集,一本收錄科學史方面的文章,一本收錄科普方面的文章。
興奮之下,我很快選好了篇目,但問題來了:一堆文章彙集在一起,以什麼作為書名呢？當然,假如我是著名作者,這根本就不是問題,大可取名為《盧昌海科學史作品集》和《盧昌海科普作品集》。但對於明顯不著名的我來說,就算不怕僭越地將自己的名字厚顏納入書名,也只會成為「票房毒藥」,因此必須另謀思路。讀者可能會笑話我這麼小的事情都不能輕鬆搞定,其實非獨我如此,像艾西莫夫(Isaac Asimov)那樣的大牌作家也常常為書名發愁呢,以至於在文章合集《The Sun Shines Bright》的簡介中感慨地說,他幾乎想用數字編號來作書名了--當然,他發愁的原因跟我是不同的,他那是因為作品實在太多,顯而易見的書名幾乎用遍了。
經過思考,為了讓兩本書略顯對仗,我提議將科學史合集取名為《科學殿堂的人和事》,將科普合集取名為《科學殿堂的磚與瓦》。但編輯看了之後覺得這兩個標題太平淡。於是我又絞盡腦汁想了半天,卻沒再想出什麼點子來。無奈之下,我決定效仿艾西莫夫,他雖然也為書名發愁,點子可比我多多了,在 《The Sun Shines Bright》的簡介中做完了用數位編號作為書名的「白日夢」後,隨即採用了一個頗有些取巧的辦法,那就是從所彙集的文章中選取一篇的標題作為書名。現在您所看到的這兩本文章合集的書名--《小樓與大師:科學殿堂的人和事》和《因為星星在那裡:科學殿堂的磚與瓦》--便也是如此而來。
關注我文章的讀者或許注意到了,收錄在這兩本書中的某些文章是曾經在雜誌或報紙上發表過的。不過,雜誌和報紙大都有自己固定的風格,有時不免需要作者「削足適履」來契合之。因此,發表在雜誌和報紙上的版本與我自己的版本相比大都存在一定的缺陷,比如經過編輯的改動,以及因字數所限作過刪節等。此外,發表在雜誌上的版本大都略去了注釋及對人名和術語的英文標注等,這其中後者--即英文標注--或許並不重要,但前者--即注釋--其實是頗為重要的,往往起著補充正文、澄清歧義等諸多作用。所有這些缺陷在此次彙集成書時都盡可能予以消除了。
與以前的四本書一樣,這兩本書也是非常接近原稿風格的,在個別細節上甚至有可能略勝於原稿,因為編輯訂正的個別錯別字由於未曾標注,我未必能在閱讀校樣時一一察覺並在自己的版本上做出相應的訂正。在尊重原稿這個最至關重要的特點上,我要再次對清華大學出版社表示感謝,感謝其對我作品及寫作風格的長期--從出版第一本書至今已五年了,夠得上用這個詞了吧--信任和支持。
最後,希望讀者們喜歡這兩本新書。
內文試閱
時間旅行: 科學還是幻想？
一、從《時光機器》講起
眾所周知,迄今為止人類在空間與時間上獲得的自由度是很不相同的。我們可以沿空間方向作自由運動,卻無法隨意駕馭時間。時間就像一條漫漫長河,世間萬物彷彿是河裡的漂浮物,只能隨波逐流。
現實的盡頭往往就是幻想的起點。如果時間是一條長河,那麼在這長河之中是否能有船隻呢？漂浮物只能隨波逐流,船隻卻可以劈波斬浪。如果時間長河中能有船隻,我們就可以乘坐這種船隻進行時間旅行,既可以窺視未來,也可以重返往昔,說不定還能改變歷史。
在科幻小說中,這種假想的船隻被稱為「時光機」。有關時光機最早、最著名的小說是英國科幻作家威爾斯(H. G.Wells)的《時光機器》(The Time Machine),發表於1895 年。不過,威爾斯並不是最早觸及時間旅行這一題材的作家,在他之前已經有許多作家涉足過這一題材,其中甚至包括美國諷刺小說家馬克?吐溫(MarkTwain),他發表於 1889 年的《康州美國佬奇遇記》(A ConnecticutYankee in King Arthur's Court)據說是最早涉及逆向時間旅行的小說。但在那些比威爾斯更早的文學作品中,普遍沒有使用像時光機這樣一種可以讓人選擇「目的地」(確切地講是「目的時間」)的旅行器,並且也極少對時間旅行的機制作哪怕只是科幻意義上的說明。而威爾斯的《時光機器》在這兩方面都是突破性的,它很快引起了讀者們的巨大興趣,並於1960 及2002 年兩度被拍成電影,英國甚至為《時光機器》出版100 周年發行過紀念郵票。
威爾斯寫作《時光機器》的時候, 愛因斯坦(Albert Einstein)的相對論尚未被提出,人們對時空的理解大體上還停留在牛頓(Isaac Newton)的絕對時空觀上 ?。但威爾斯卻在《時光機器》一書中令人吃驚地提出了將時間作為第四維的觀點,與十年後到來的相對論時空觀作了戲劇性的遙相呼應。威爾斯將時間視為第四維,目的是要通過將時間與空間類比來為時間旅行開綠燈。那麼現代物理學認可這個綠燈嗎？這就是本文所要討論的內容。
二、面向未來與重返過去
我們知道,在牛頓的絕對時空觀裡,時間和空間不受任何物質及運動的影響(這是「絕對」的主要含義所在)。很明顯,在這樣的時空觀裡,時間旅行不具有理論基礎,它的存在只是一種幻想。但是狹義相對論的提出對時空觀產生了一次重大變革。在狹義相對論中,時間和空間不再是絕對的慨念,而是與參考系的選擇密切相關。特別是,在運動參考系中時間的流逝會變慢,這是著名的時間延緩效應,它的存在已經被大量物理實驗所證實。狹義相對論所帶來的這種新結果,為時間旅行開啟了第一種具有理論依據的可能性:那就是面向未來的時間旅行成為了可能。按照狹義相對論,如果有人想要到未來去旅行,他所需要的時光機就是一艘能以接近光速的高速度運行的飛船。想要到達的未來越遙遠,飛船所需達到的速度就越高。如果他想在20 年(飛船上的時間)的飛行之後到達兩萬年(地球上的時間)後的地球上,他所要做的就是讓飛船以當於光速99. 99995％的速度飛行10 年,然後以相同的速度往回飛。那麼20 年後,當他回到地球上時,地球上的日曆已經翻過了整整兩萬年,他可以如願以償地看到兩萬年後的人類社會(如果那時候人類社會還存在的話)。可以想像,這樣一位來自遠古的旅行家將會受到未來的歷史學家和考古學家們何等熱烈的歡迎。事實上,不僅未來的歷史學家和考古學家將會非常歡迎這樣的時間旅行家,與這位時間旅行家同時代的人又何嘗不希望他能把自己看到的未來世界的情形帶回給大家呢？可惜的是,狹義相對論為面向未來的時間旅行開啟了大門,卻沒能為重返過去的時間旅行提供同樣的理論可行性。如果一定要對狹義相對論的數學框架做廣義詮釋的話,那麼只有超光速的運動才可能導致某一類參考系中的時序被顛倒。但是狹義相對論本身在亞光速與超光速之間設置了一個光速壁壘,沒有任何已知的物理過程能夠使原本亞光速運動的物體--包括人--進入超光速運動狀態。因此在狹義相對論的理論框架內,時間旅行家可以到達未來,但卻不能重返過去,這與我們在空間中自由自在的運動相比,顯然是差得很遠的。而且,面向未來的時間旅行不一定需要時光機才能做到,通過將旅行者冷凍若干年再解凍的手段也可以達到同樣的目的。因此時光機如果存在的話,它真正獨特的價值不在於面向未來,而在於重返過去。
那麼重返過去的路在哪裡呢？
在狹義相對論之後又過了10年,愛因斯坦提出了廣義相對論。在廣義相對論中,時間和空間不僅如狹義相對論中一樣與參考系的選擇密切相關,而且還有賴於物質的分布和運動。由此產生的一個不同於狹義相對論的重要結果是:我們對「未來」的定義不再是絕對的了,它會受到物質運動的影響。在不同時刻、不同地點,「未來」有可能指向不同的方向。這是一個奇妙的結果,它表明時空在某種意義上就像流體一樣會受到物質運動的拖曳,甚至連時間的方向都有可能因拖曳而改變。
既然時間的方向可以被物質的運動所拖曳,那麼有沒有可能存在某種物質的分布與運動,它對時間方向的拖曳如此顯著,以至於把未來方向拖曳成過去方向,甚至讓不同的時間方向首尾相接,連成一條閉合曲線呢？這樣的閉合曲線如果存在,無疑就是一種時光機。因為沿這種曲線運動的飛船每時每刻都在做正常的飛行,感受到正向的時間流逝,但它的軌跡卻不僅在空間上,而且會在時間上回到出發點。如果你乘坐飛船沿這樣的曲線做一次為期 10年的旅行?,那麼在旅行結束時你不僅會回到飛船出發的地方,並且會遇見10年前整裝待發的自己?!物理學家們把這種奇妙的曲線稱為「閉合類時曲線」,它是時光機這一科幻術語在廣義相對論中的代名詞。倘若存在閉合類時曲線,時間旅行就有了理論上的可能性。
那麼在廣義相對論中,是否存在閉合類時曲線？或者確切地說,是否存在使閉合類時曲線成為可能的物質分布與運動呢？對這個問題,物理學家們做了許多研究。
三、廣義相對論與時間旅行
1949年,著名邏輯學家哥德爾(Kurt G?del)在廣義相對論中發現了一個非常奇特的解,描述一個如今被稱為「哥德爾宇宙」(G?del universe)的整體旋轉的宇宙。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。哥德爾這位曾經以哥德爾不完備定理(G?del's incompleteness theorems)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,哥德爾宇宙並不符合天文觀測。首先,我們所生活的宇宙並不存在整體的旋轉?；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。不僅如此,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,對於我們所觀測到的物質密度而言,沿閉合類時曲線運行一周起碼需要幾百億年的時間。因此哥德爾宇宙對於時間旅行並無現實意義。
不過,哥德爾宇宙雖然沒有現實意義,但它的發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。自那以後,物理學家們在廣義相對論中又陸續發現了其他一些允許閉合類時曲線的解。比如 1974年,美國杜蘭大學(Tulane University)的物理學家梯普勒(Frank J. Tipler)研究了一個無限長的旋轉柱體外部的時空?,結果發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。又比如1991年,普林斯頓大學的天體物理學家高特(John Richard Gott III)發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。因此高特的結果可以算是把時光機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(即「無限長的旋轉柱體」和「無限長的平行宇宙弦」),這在現實世界中顯然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,但情況不容樂觀:1992年,著名物理學家霍金 (Stephen 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,那麼試圖在任何有限時空區域內建造時光機的努力要想成功,都必須產生物理學家們最不想看到的東西--時空奇點?。時空奇點對於研究廣義相對論的人來說是並不陌生的,它具有一系列令人頭疼的性質,比如物質的密度發散,時空的曲率發散等等?。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麼影響,但這種影響很可能是凶多吉少的。
霍金的這個結果對於建造時光機無疑是壞消息,但細心的讀者也許注意到了,這個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,但我們在介紹蟲洞的時候已經提到過,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。
既然負能量物質可以存在,那麼霍金的結果(確切地說是其中的結論部分)就有可能被避免。這方面的研究事實上早在霍金的結果出現之前就已經有人進行了--當然目的不是為了避免當時尚未出現的霍金的結果:加州理工大學的物理學家索恩(Kip Thorne)與學生莫里斯(Mike Morris)等人在 1988年發表的一項有關「可穿越蟲洞」(traversable wormhole)的研究中,發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光機?。由於蟲洞中含有負能量物質,因此他們這種時光機可以避免霍金的結果,不導致時空奇點(從這個意義上講,負能量物質還真是很有「正能量」)。索恩等人的這一研究把科幻小說中最具魅力的兩個概念--蟲洞與時光機--聯繫在了一起,集「萬千寵愛」於一身,很快就成為了建造時光機的熱門方案。
但是,索恩等人的蟲洞時光機雖然可以避免霍金的結果,卻立即遇到了另一個棘手的問題,那就是蟲洞一旦成為時光機,在類時曲線閉合的一?那,任何微小的量子漲落都有可能通過那樣的蟲洞返回過去,與它本身相疊加。這種疊加過程可以在零時間內重複無窮多次,由此產生的自激效應足以在瞬間將時光機徹底摧毀!這種效應不僅危及索恩等人的「蟲洞時光機」,對其他類型的時光機也同樣具有威脅。1992年,霍金乾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光機。不過迄今為止,這還只是一個假設,而且霍金的論據也不是無懈可擊的,對時光機的理論可行性持樂觀看法的物理學家們陸續提出了一些模型來突破霍金對時光機的封殺。這方面的討論目前仍在繼續。
惱人算式後蘊含的簡單故事,
因為星星在那裡,跟隨引導的光輝,進入多姿的科學世界!
星際迷航、天文物理,數不清的問號,何處是解答？
質量究竟從何而來？反物質星球有可能存在？
Google的背後究竟有什麼樣的計算？
時間旅行到底是科學還是幻想？
最少要多少次轉動才能讓魔術方塊復原？
蟲洞真的能成為星際旅行的捷徑嗎？
大型強子對撞機會因產生黑洞而毀滅地球嗎？
《星際迷航》中的生命傳輸機有可能實現嗎？
蝴蝶拍動翅膀真的有可能在美國的得克薩斯州引發颶風嗎？
本書匯集了作者近年撰寫一系列科普作品的心血,包括反物質、時間旅行、混沌理論、相對論、黑洞、蟲洞、諾貝爾物理獎獲獎成果等諸多深受科學愛好者喜愛的內容。作者將以生動淺顯的文字、迷人口吻,帶領廣大科學愛好者及高中、大學生穿越迷霧般的知識叢林,啟航探索絢麗的科學世界。
目錄
序言
第一部分 數學
孿生素數猜想
魔方與“上帝之數”
ABC猜想淺說
穀歌背後的數學
第二部分 物理
從巴西的蝴蝶到德克薩斯的颶風
關於時鐘佯謬
從等效原理到愛因斯坦-嘉當理論
黑洞略談
反物質淺談
從伽利略船艙到光子馬拉松
品質的起源
纖維裡的光和電路中的影
石墨烯--從象牙塔到未來世界
囚禁的量子,開放的應用
第三部分 星際旅行漫談
因為星星在那裡
火箭:宇航時代的開拓者
生命傳輸機
蟲洞:遙遠的天梯
時間旅行:科學還是幻想？
第四部分 其他
從民間“科學家”看科普的局限性
什麼是民間“科學家”
學物理能做什麼？
關於普通科普與專業科普
自序
自序
作為一位出版了四本書的作者,如果要用一句話來概括寫書的感覺的話,那就是:寫書比寫文章累。這貌似是一句顯而易見的大白話,對我這種在寫作上有一定興趣,甚至以寫作為樂的人來說,卻是一種只有經歷過了才意識到的新感覺。這新感覺的起因也是一句顯而易見的大白話,那就是:書比文章長。不過,這個「長」對我來說與其說是篇幅之長,不如說是指所費時間之長。因為在一本書的寫作過程中,我得不斷約束自己的閱讀興趣,把主要精力投注於單一主題。另一方面,我的寫作速度又比較慢(或美其名曰「認真」),從而使得寫作過程往往長到了對題材的興趣將盡而書稿遠未完成的程度。這時候,寫書就變成了對恆心和毅力的考驗,而我--很遺憾地--曾兩度在這種考驗面前失敗過,致使《黎曼猜想漫談》和《從奇點到蟲洞》「爛尾」多年(對這一「丟人」事蹟感興趣的讀者可參閱那兩本書的後記),其「累」亦由此可見。
在這種感覺下,若有誰願把我的文章彙集成書出版,讓我既免除寫書之累,又可得出書之樂,那對我來說簡直就是「天上掉餡兒餅」的美事,幾乎要讓我生出一種「偷懶」的愧疚了。最近,這樣的美事居然落在了我的頭上--清華大學出版社願意出版我的兩本文章合集,一本收錄科學史方面的文章,一本收錄科普方面的文章。
興奮之下,我很快選好了篇目,但問題來了:一堆文章彙集在一起,以什麼作為書名呢？當然,假如我是著名作者,這根本就不是問題,大可取名為《盧昌海科學史作品集》和《盧昌海科普作品集》。但對於明顯不著名的我來說,就算不怕僭越地將自己的名字厚顏納入書名,也只會成為「票房毒藥」,因此必須另謀思路。讀者可能會笑話我這麼小的事情都不能輕鬆搞定,其實非獨我如此,像艾西莫夫(Isaac Asimov)那樣的大牌作家也常常為書名發愁呢,以至於在文章合集《The Sun Shines Bright》的簡介中感慨地說,他幾乎想用數字編號來作書名了--當然,他發愁的原因跟我是不同的,他那是因為作品實在太多,顯而易見的書名幾乎用遍了。
經過思考,為了讓兩本書略顯對仗,我提議將科學史合集取名為《科學殿堂的人和事》,將科普合集取名為《科學殿堂的磚與瓦》。但編輯看了之後覺得這兩個標題太平淡。於是我又絞盡腦汁想了半天,卻沒再想出什麼點子來。無奈之下,我決定效仿艾西莫夫,他雖然也為書名發愁,點子可比我多多了,在 《The Sun Shines Bright》的簡介中做完了用數位編號作為書名的「白日夢」後,隨即採用了一個頗有些取巧的辦法,那就是從所彙集的文章中選取一篇的標題作為書名。現在您所看到的這兩本文章合集的書名--《小樓與大師:科學殿堂的人和事》和《因為星星在那裡:科學殿堂的磚與瓦》--便也是如此而來。
關注我文章的讀者或許注意到了,收錄在這兩本書中的某些文章是曾經在雜誌或報紙上發表過的。不過,雜誌和報紙大都有自己固定的風格,有時不免需要作者「削足適履」來契合之。因此,發表在雜誌和報紙上的版本與我自己的版本相比大都存在一定的缺陷,比如經過編輯的改動,以及因字數所限作過刪節等。此外,發表在雜誌上的版本大都略去了注釋及對人名和術語的英文標注等,這其中後者--即英文標注--或許並不重要,但前者--即注釋--其實是頗為重要的,往往起著補充正文、澄清歧義等諸多作用。所有這些缺陷在此次彙集成書時都盡可能予以消除了。
與以前的四本書一樣,這兩本書也是非常接近原稿風格的,在個別細節上甚至有可能略勝於原稿,因為編輯訂正的個別錯別字由於未曾標注,我未必能在閱讀校樣時一一察覺並在自己的版本上做出相應的訂正。在尊重原稿這個最至關重要的特點上,我要再次對清華大學出版社表示感謝,感謝其對我作品及寫作風格的長期--從出版第一本書至今已五年了,夠得上用這個詞了吧--信任和支持。
最後,希望讀者們喜歡這兩本新書。
內文試閱
時間旅行: 科學還是幻想？
一、從《時光機器》講起
眾所周知,迄今為止人類在空間與時間上獲得的自由度是很不相同的。我們可以沿空間方向作自由運動,卻無法隨意駕馭時間。時間就像一條漫漫長河,世間萬物彷彿是河裡的漂浮物,只能隨波逐流。
現實的盡頭往往就是幻想的起點。如果時間是一條長河,那麼在這長河之中是否能有船隻呢？漂浮物只能隨波逐流,船隻卻可以劈波斬浪。如果時間長河中能有船隻,我們就可以乘坐這種船隻進行時間旅行,既可以窺視未來,也可以重返往昔,說不定還能改變歷史。
在科幻小說中,這種假想的船隻被稱為「時光機」。有關時光機最早、最著名的小說是英國科幻作家威爾斯(H. G.Wells)的《時光機器》(The Time Machine),發表於1895 年。不過,威爾斯並不是最早觸及時間旅行這一題材的作家,在他之前已經有許多作家涉足過這一題材,其中甚至包括美國諷刺小說家馬克?吐溫(MarkTwain),他發表於 1889 年的《康州美國佬奇遇記》(A ConnecticutYankee in King Arthur's Court)據說是最早涉及逆向時間旅行的小說。但在那些比威爾斯更早的文學作品中,普遍沒有使用像時光機這樣一種可以讓人選擇「目的地」(確切地講是「目的時間」)的旅行器,並且也極少對時間旅行的機制作哪怕只是科幻意義上的說明。而威爾斯的《時光機器》在這兩方面都是突破性的,它很快引起了讀者們的巨大興趣,並於1960 及2002 年兩度被拍成電影,英國甚至為《時光機器》出版100 周年發行過紀念郵票。
威爾斯寫作《時光機器》的時候, 愛因斯坦(Albert Einstein)的相對論尚未被提出,人們對時空的理解大體上還停留在牛頓(Isaac Newton)的絕對時空觀上 ?。但威爾斯卻在《時光機器》一書中令人吃驚地提出了將時間作為第四維的觀點,與十年後到來的相對論時空觀作了戲劇性的遙相呼應。威爾斯將時間視為第四維,目的是要通過將時間與空間類比來為時間旅行開綠燈。那麼現代物理學認可這個綠燈嗎？這就是本文所要討論的內容。
二、面向未來與重返過去
我們知道,在牛頓的絕對時空觀裡,時間和空間不受任何物質及運動的影響(這是「絕對」的主要含義所在)。很明顯,在這樣的時空觀裡,時間旅行不具有理論基礎,它的存在只是一種幻想。但是狹義相對論的提出對時空觀產生了一次重大變革。在狹義相對論中,時間和空間不再是絕對的慨念,而是與參考系的選擇密切相關。特別是,在運動參考系中時間的流逝會變慢,這是著名的時間延緩效應,它的存在已經被大量物理實驗所證實。狹義相對論所帶來的這種新結果,為時間旅行開啟了第一種具有理論依據的可能性:那就是面向未來的時間旅行成為了可能。按照狹義相對論,如果有人想要到未來去旅行,他所需要的時光機就是一艘能以接近光速的高速度運行的飛船。想要到達的未來越遙遠,飛船所需達到的速度就越高。如果他想在20 年(飛船上的時間)的飛行之後到達兩萬年(地球上的時間)後的地球上,他所要做的就是讓飛船以當於光速99. 99995％的速度飛行10 年,然後以相同的速度往回飛。那麼20 年後,當他回到地球上時,地球上的日曆已經翻過了整整兩萬年,他可以如願以償地看到兩萬年後的人類社會(如果那時候人類社會還存在的話)。可以想像,這樣一位來自遠古的旅行家將會受到未來的歷史學家和考古學家們何等熱烈的歡迎。事實上,不僅未來的歷史學家和考古學家將會非常歡迎這樣的時間旅行家,與這位時間旅行家同時代的人又何嘗不希望他能把自己看到的未來世界的情形帶回給大家呢？可惜的是,狹義相對論為面向未來的時間旅行開啟了大門,卻沒能為重返過去的時間旅行提供同樣的理論可行性。如果一定要對狹義相對論的數學框架做廣義詮釋的話,那麼只有超光速的運動才可能導致某一類參考系中的時序被顛倒。但是狹義相對論本身在亞光速與超光速之間設置了一個光速壁壘,沒有任何已知的物理過程能夠使原本亞光速運動的物體--包括人--進入超光速運動狀態。因此在狹義相對論的理論框架內,時間旅行家可以到達未來,但卻不能重返過去,這與我們在空間中自由自在的運動相比,顯然是差得很遠的。而且,面向未來的時間旅行不一定需要時光機才能做到,通過將旅行者冷凍若干年再解凍的手段也可以達到同樣的目的。因此時光機如果存在的話,它真正獨特的價值不在於面向未來,而在於重返過去。
那麼重返過去的路在哪裡呢？
在狹義相對論之後又過了10年,愛因斯坦提出了廣義相對論。在廣義相對論中,時間和空間不僅如狹義相對論中一樣與參考系的選擇密切相關,而且還有賴於物質的分布和運動。由此產生的一個不同於狹義相對論的重要結果是:我們對「未來」的定義不再是絕對的了,它會受到物質運動的影響。在不同時刻、不同地點,「未來」有可能指向不同的方向。這是一個奇妙的結果,它表明時空在某種意義上就像流體一樣會受到物質運動的拖曳,甚至連時間的方向都有可能因拖曳而改變。
既然時間的方向可以被物質的運動所拖曳,那麼有沒有可能存在某種物質的分布與運動,它對時間方向的拖曳如此顯著,以至於把未來方向拖曳成過去方向,甚至讓不同的時間方向首尾相接,連成一條閉合曲線呢？這樣的閉合曲線如果存在,無疑就是一種時光機。因為沿這種曲線運動的飛船每時每刻都在做正常的飛行,感受到正向的時間流逝,但它的軌跡卻不僅在空間上,而且會在時間上回到出發點。如果你乘坐飛船沿這樣的曲線做一次為期 10年的旅行?,那麼在旅行結束時你不僅會回到飛船出發的地方,並且會遇見10年前整裝待發的自己?!物理學家們把這種奇妙的曲線稱為「閉合類時曲線」,它是時光機這一科幻術語在廣義相對論中的代名詞。倘若存在閉合類時曲線,時間旅行就有了理論上的可能性。
那麼在廣義相對論中,是否存在閉合類時曲線？或者確切地說,是否存在使閉合類時曲線成為可能的物質分布與運動呢？對這個問題,物理學家們做了許多研究。
三、廣義相對論與時間旅行
1949年,著名邏輯學家哥德爾(Kurt G?del)在廣義相對論中發現了一個非常奇特的解,描述一個如今被稱為「哥德爾宇宙」(G?del universe)的整體旋轉的宇宙。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。哥德爾這位曾經以哥德爾不完備定理(G?del's incompleteness theorems)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,哥德爾宇宙並不符合天文觀測。首先,我們所生活的宇宙並不存在整體的旋轉?；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。不僅如此,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,對於我們所觀測到的物質密度而言,沿閉合類時曲線運行一周起碼需要幾百億年的時間。因此哥德爾宇宙對於時間旅行並無現實意義。
不過,哥德爾宇宙雖然沒有現實意義,但它的發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。自那以後,物理學家們在廣義相對論中又陸續發現了其他一些允許閉合類時曲線的解。比如 1974年,美國杜蘭大學(Tulane University)的物理學家梯普勒(Frank J. Tipler)研究了一個無限長的旋轉柱體外部的時空?,結果發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。又比如1991年,普林斯頓大學的天體物理學家高特(John Richard Gott III)發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。因此高特的結果可以算是把時光機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(即「無限長的旋轉柱體」和「無限長的平行宇宙弦」),這在現實世界中顯然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,但情況不容樂觀:1992年,著名物理學家霍金 (Stephen 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,那麼試圖在任何有限時空區域內建造時光機的努力要想成功,都必須產生物理學家們最不想看到的東西--時空奇點?。時空奇點對於研究廣義相對論的人來說是並不陌生的,它具有一系列令人頭疼的性質,比如物質的密度發散,時空的曲率發散等等?。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麼影響,但這種影響很可能是凶多吉少的。
霍金的這個結果對於建造時光機無疑是壞消息,但細心的讀者也許注意到了,這個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,但我們在介紹蟲洞的時候已經提到過,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。
既然負能量物質可以存在,那麼霍金的結果(確切地說是其中的結論部分)就有可能被避免。這方面的研究事實上早在霍金的結果出現之前就已經有人進行了--當然目的不是為了避免當時尚未出現的霍金的結果:加州理工大學的物理學家索恩(Kip Thorne)與學生莫里斯(Mike Morris)等人在 1988年發表的一項有關「可穿越蟲洞」(traversable wormhole)的研究中,發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光機?。由於蟲洞中含有負能量物質,因此他們這種時光機可以避免霍金的結果,不導致時空奇點(從這個意義上講,負能量物質還真是很有「正能量」)。索恩等人的這一研究把科幻小說中最具魅力的兩個概念--蟲洞與時光機--聯繫在了一起,集「萬千寵愛」於一身,很快就成為了建造時光機的熱門方案。
但是,索恩等人的蟲洞時光機雖然可以避免霍金的結果,卻立即遇到了另一個棘手的問題,那就是蟲洞一旦成為時光機,在類時曲線閉合的一?那,任何微小的量子漲落都有可能通過那樣的蟲洞返回過去,與它本身相疊加。這種疊加過程可以在零時間內重複無窮多次,由此產生的自激效應足以在瞬間將時光機徹底摧毀!這種效應不僅危及索恩等人的「蟲洞時光機」,對其他類型的時光機也同樣具有威脅。1992年,霍金乾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光機。不過迄今為止,這還只是一個假設,而且霍金的論據也不是無懈可擊的,對時光機的理論可行性持樂觀看法的物理學家們陸續提出了一些模型來突破霍金對時光機的封殺。這方面的討論目前仍在繼續。
