物理

时光旅行的简史

一位俄罗斯宇航员已经对未来进行了一小段旅程,但进入过去会遇到更多问题:它将涉及穿越“虫洞”,这是一个非常假设的时空隧道...

蒂姆·佛格 对于科学N°457
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En 1895, H. G. Wells 已发表e 时间机器。 这本非同寻常的预言小说出现在审慎的维多利亚女王63年统治结束之前的几年,而在此之前,牛顿物理学的未受挑战的统治仅结束了几年。的确,爱因斯坦(Albert Einstein)于1905年发表了他的狭义相对论,该理论破坏了从伽利略继承的时空概念。毫无疑问,这种理论还无法预测未来的旅行形式……毫无疑问,这会让威尔斯高兴!在伽利略时空中,每个地方的每个人都是相同的时间。另一方面,在爱因斯坦的理论中,由观察者相对移动而测得的持续时间不再重合:时间是相对的。

自1905年以来,人们已经经历了一段真实的时光之旅,但并不是威尔斯开玩笑地想到的机器。迄今为止旅行时间最远的人是谢尔盖·克里卡里奥夫(Sergei Krikaliov):他跳入了……1/48的未来e 第二。这个领先于其他人类的原因是这位宇航员在船上度过了803天的结果 米尔 伊斯 (国际空间站)。在这些空间站上,它以每小时约27,000公里的速度绕地球飞行。与我们在地上的时钟相比,它自己的时钟(也就是说,自己的时间)进步少了:它的年龄比我们少。换句话说,Sergei Krikaliov迈向1/48的未来e 第二。

有可能旅行到过去吗?

如果涉及到长距离和高速度,那么这样的未来之旅的影响会更加明显:如果谢尔盖·克里卡里奥夫(Sergei Krikaliov)在2015年离开,以520万光年(Betelgeuse)的速度移动了99.995%,轻,回来后他的年龄只有十年。那时我们将是3015年,也就是说将过去1000年。 “我们可以走向未来。普林斯顿大学的天体物理学家理查德·戈特(Richard Gott)解释说,这只是时间和金钱的问题。

另一方面,旅行到过去的想法是有问题的。在狭义相对论的时空框架中,这是不可能的:时间可以在那儿收缩或延长,但绝不能逆转。另一方面,这可能在广义相对论的框架内实现,广义相对论是1915年发表的理论(狭义相对论之后的十年),该理论表明重力是时空变形的结果。

一个人如何旅行到过去?答案并不明显,因为广义相对论方程允许许多解决方案,它们对应于彼此非常不同的情况。这些解决方案中只有其中一些描述了可能会绊倒过去的宇宙。因此,回答过去之旅的问题就等于证明我们的世界就是这些宇宙之一。

未来的小尝试

我们不知道是否是这种情况。这个问题是开放的,并且正在积极研究中。理论上的修补可能暗示过去的可能性是什么?难道是宇宙出于某种未知原因而禁止使用它?物理学家们推测这些问题并非要追溯到过去,而是因为对它们的思考打开了人们对我们宇宙的本质以及起源的观点。

为了得出他的狭义相对论的革命性理论,爱因斯坦仔细研究了两个基本假设的含义:一个熟悉的观点,即物理学定律对于所有观察者都必须是相同的;一个令人惊讶的事实是,真空中的光是一个通用常数,无论所有观察者的相对运动如何,其值均相同。

狭义相对论表明,两个相对运动的观测者测量两个给定事件之间的时间并不会获得相同的结果(并且距离也相同)。更准确地说,相对于观察者移动的时钟对观察者而言似乎落后于他随身携带的时钟。同样,距离会缩小。

在低速下,这些影响可以忽略不计。当相对运动的速度接近光速(每秒299,792,458米)时,它们就变得很重要。例如,物理学家反复发现,当这些不稳定的粒子以接近光速的速度相对于实验室移动时,μ子的衰减率会降低一个数量级。这些粒子的平均寿命确实在增加:它们的“衰老”速度不及我们。这样的介子的行为就像一个很小的“ Sergei Krikaliov”,它已经跃升了几微秒。

哥德尔送给爱因斯坦70岁生日的礼物

因此,狭义相对论表明,前往未来是现实。和过去的旅程?奥地利逻辑学家库尔特·哥德尔(KurtGödel)率先使用广义相对论回答了这个问题。哥德尔(Gödel)的不完备性定理最为人所知,它证明了数学可以证明的局限性。但是在1940年代后期,他证明了描述旋转宇宙的广义相对论方程组的一个很好的解。作为爱因斯坦70岁生日的生日礼物,他提出了这个矛盾的结果。普林斯顿大学的老圣人一定不会为之欢欣鼓舞,因为这使他怀疑自己的理论...

哥德尔研究的宇宙确实非常好奇:它是一个同质的宇宙(所有点都是等效的),但不是各向同性的。它确实有一个特权方向,在实践中可以将其等同为一种“旋转轴”。因此,当我们离开这个“轴”时,一切都会发生,好像我们正在经受一种“离心力”一样。后者可以防止物质崩溃,从而为爱因斯坦赋予宇宙稳定的稳定性,这对于任何可接受的宇宙模型都是必要的。

然而,这正是爱因斯坦深为困扰的事情,那里的过去之旅也是可能的。为了实现这一点,有必要穿越一条“时空闭合曲线”,就物理学家而言,这也被称为“同类时间闭合曲线”;它是关于一条轨迹的,最终将旅行者带回到自己过去的时空点。当我们假设时间是由围绕圆柱体轴线测得的角度给出的,我们可以将其与圆柱表面周围的闭合回路进行比较。

因此,封闭的时间曲线是时空的循环。在哥德尔旋转的宇宙中,这样的曲线环绕着整个宇宙,就像平行线环绕着地球一样。物理学家已经定义并研究了一系列的时空环。它们中的每一个(至少在理论上都允许)旅行到过去。与当前的时差视图相比,通过这些曲线之一会令人失望,因为时间会以通常的方式前进。时空旅行者可以透过航天器的窗户看到通常的深空的星星和行星。他的时钟指针将像往常一样继续前进。但是,旅行者最终会达到他过去已经存在的时空点。

早在1914年,爱因斯坦就意识到他的理论使闭合的时空曲线的存在成为可能,强调了居住在英格兰牛津附近的独立物理学家朱利安·巴尔伯(Julian Barbour)。他不喜欢它:“我的直觉强烈反对这个想法!” “ 他说。这些曲线的存在确实与因果原理产生了冲突,根据该因果原理,任何原因都可以先于其因果。

因此,如果我们决定因果关系的原理也应适用于哥德尔的宇宙,那么我们得出的结论是,沿着封闭的时空曲线进行的旅行最终将使旅行者能够改变自己的位置。过去...在这里,我们发现了祖父的古老悖论:一个时光旅行者在遇见祖母之前无意中杀死了他的祖父;从那时起,他能出生并杀死他的祖父吗?

幸运的是,对于因果关系原理的支持者,研究人员从未发现任何有关宇宙处于“自转”状态的线索。哥德尔本人通过深入研究星系的目录来寻找它们。毫无疑问,这是不现实的,他的模型在任何情况下都表明封闭的时空曲线是广义相对论中的一种可能性:该理论的定律并不禁止人们穿越过去。

在最近的几十年中,宇宙学家描述了各种闭合的时空曲线。哥德尔“产生”了整个宇宙,这种时空曲线是可能的。其他研究人员认为,时空只能在部分宇宙中扭曲。

在广义相对论中,“时空告诉物质如何运动;物质告诉时空如何弯曲,”伟大的美国物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)总结说,他于2008年去世。换句话说,就是行星,恒星,星系等。时空的几何形状决定了存在物体的运动。

在某些极端情况下,时空可能会弯曲得足以创造从现在到过去的道路。物理学家提出了一些创造这种路径的奇特机制。例如,理查德·戈特(Richard Gott)在1991年发表的一篇文章中指出,宇宙弦-比原子无限长且细的假想物体(不要与“弦论”的基本物体相混淆)-将使在封闭的时空曲线的交点处形成。

1983年,加州理工学院(Caltech)的Kip Thorne开始研究虫洞。因此,我们指定了一种闭合的时空曲线,该曲线可以通过隧道连接两个不同的时空区域。 “根据广义相对论,就像可以连接两个不同的空间区域一样,也可以连接两个不同的时间区域,”基普·索恩(Kip Thorne)的同事肖恩·卡罗尔(Sean Carroll)评论道。在加州理工学院。

进入虫洞将是球形的。它将构成进入时空的三维隧道的三维入口。就像所有封闭的时空曲线一样,穿过虫洞的过程将“类似于时空中的任何其他过程,” Sean Carroll强调。不管旅行者通过虫洞做什么,他的时间都会每秒流逝。他的“前进”版本与宇宙的其余部分不同步,这将是偶然的。

物理学家可以写出描述虫洞和其他闭合时空曲线的方程式。但是,所有这些模型都存在重大问题。 “首先要形成虫洞,您需要负能量,” Sean Carroll说。例如,当某个体积中存在的能量波动到负值时,就会出现负能量。只有在负能量可用的情况下,才可能打开虫洞的三维隧道。不过,肖恩·卡洛尔(Sean Carroll)说,负能量打开的虫洞“似乎很困难,即使不是不可能制造出来的”。在物理学中,负能量非常成问题”。

甚至假设我们找到了打开虫洞所需的负能量,“粒子也会通过无限次地循环穿过虫洞,” Sean Carroll说,这将涉及大量的能量。无穷。当某处能量的存在使时空扭曲时,整个虫洞会塌陷到时空中的无限密集点,换句话说就是黑洞。肖恩·卡罗尔(Sean Carroll)说:“我们无法确定会发生这种情况,但宇宙似乎正在通过制造黑洞来阻止我们制造时间机器。 ”

与黑洞不同,黑洞是广义相对论的自然结果,虫洞和封闭的时空曲线是假设的结构,主要是为了探索该理论的局限性而发明的。肖恩·卡洛尔(Sean Carroll)指出:“相对论而言,很难避免出现黑洞。”另一方面,闭合的时空曲线很难创建。 ”

虫洞,难以置信但重要

即使虫洞令人难以置信,在广义相对论中虫洞也是可能的事实很重要。 “很好奇,我们如此之快就排除了时间旅行的可能性,而又无法一路走下去。甚至令人讨厌,”肖恩·卡罗尔(Sean Carroll)说。然而,正是通过面对这些烦人的练习,物理学家才提高了对宇宙的理解。而且,如果它具有使过去的旅程成为可能的特征,它甚至可能不存在我们的宇宙...

广义相对论以大尺度描述世界,而量子理论以小尺度描述世界。缩影中是否存在闭合的时空曲线?

“只有十分小规模–30 厘米,可以预期时空的拓扑结构(即其形状)不稳定。威斯康星州密尔沃基大学的约翰·弗里德曼解释说,人们可以想象,随机波动会形成封闭的时空曲线,即使没有根本阻止它的现象。这些量子涨落能否以某种方式被放大并变成时间机器?约翰·弗里德曼(John Friedman)说:“没有正式的证据证明宏观封闭的时空曲线是不可能的。”但是,大多数认真研究了这些问题的人并不相信它们。 ”

宇宙是从自身创造的吗?

毫无疑问,时空循环的量子尺度或宇宙尺度的产生会涉及极端的物理现象。理查德·戈特(Richard Gott)说:“宇宙的诞生是人们最有可能期望物理现象极端化的情况。”

1998年,理查德·戈特(Richard Gott)与北京大学天体物理学家李新信(Li-Xin Li)一起发表文章,认为封闭的时间曲线不仅是可能的,而且对于解释宇宙的起源至关重要。理查德·戈特(Richard Gott)解释说:“我们研究了宇宙可以成为自己的母亲的想法,也就是说,时空循环使它的创造成为可能。”

就像在大爆炸宇宙学模型中一样,理查德·戈特(Richard Gott)和李新欣(Li-Xin Li)的宇宙始于膨胀阶段,在该阶段,到处都有一个能量场,称为膨胀子,引起了极快的初始膨胀。宇宙。今天,许多宇宙学家认为,通货膨胀催生了无数其他宇宙。 “一旦开始,通货膨胀就很难停止,”理查德·戈特(Richard Gott)说。它构建了一棵包括无限分支的树,其中一个分支构成了我们的宇宙。那么这棵树的“树干”是什么?对于李立新和我来说,可能是其中一个分支自身关闭,然后成长为树干。 ”

因此,在两个维度上,Richard Gott和Li-Xin Li的“自我创建”宇宙的草图看起来像数字6 (请参见前一页图)。一个时空循环在我们宇宙的起源处形成并产生了一个分支。在这个时空循环中,时空突然膨胀,产生并扩展了我们的宇宙,赋予了我们所居住的宇宙。

这种构想是令人惊讶的,但是根据理查德·戈特(Richard Gott)的说法,它的优点是可以避免从头创建宇宙的困难。但是,塔夫茨大学的亚历山大·维伦金,剑桥大学的斯蒂芬·霍金和加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的詹姆斯·哈特尔提出了这样一种模型,其中宇宙的确是一无所有的。 。

在量子视觉中,空白并不是真正的空白,而是充满了不断诞生和消失的“虚拟”粒子。史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)和他的同事认为,宇宙是从量子真空中诞生的。在理查德·戈特(Richard Gott)的视野中,宇宙并非一无所有,而是其自身……

众神下棋,研究人员看过的国际象棋

尚不清楚这些理论中的任何一个是否能够解释宇宙的起源。美国物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)将宇宙比作诸神会下棋。他说,研究人员试图在不了解规则的情况下理解游戏。他们观察到众神将棋子向前推进一个正方形,并推论出一条规则:棋子总是向前推进一个正方形。

但是,只要他们没有观察到游戏的开始,他们就不会知道典当离开其初始位置时还可以前进两个方块。同样,在游戏的某些阶段也会发生,典当会改变自然并变成皇后。理查德·戈特(Richard Gott)说:“这看起来很奇怪,而且违反了规则。”但这确实是其中的一部分。您只是忽略它,因为您还没有目睹它正在发生的某个部分,而这是一个相当“极端”的部分。时间旅行研究看起来像这样:它是关于探索在某些极端条件下物理定律的变化。没有逻辑禁止走过去,即使它暗示着一个不被我们使用的宇宙。换句话说,将棋子变成皇后可能是广义相对论定律的一部分...

这种大胆的猜测也许更接近于哲学而不是物理学。目前,我们仅需了解量子理论和广义相对论即可。

纽约大学科学哲学家蒂姆·莫德林(Tim Maudlin)警告说:“在宇宙学中完美融合量子理论和广义相对论的研究人员实际上并不知道他们在做什么。”这不是严格的数学,而是一种将广义相对论和量子论类似的东西进行了不一致的修补。由于他们不知道如何明智地前进,因此人们可能仍应该尝试这种方法。 ”

未来的理论会消除过去的旅程吗?还是相反地向我们揭示宇宙比我们想象的还要陌生?自从爱因斯坦重新定义我们的时间概念以来,物理学取得了很大进步。 H. G. Wells所设想的通往未来的旅程现在是现实,即使没有机器可以到达一个遥不可及的未来。我们是否可以想象某种对称形式也可以使我们过去旅行?

当我向理查德·戈特(Richard Gott)提出这个问题时,他开了个玩笑说:“这是一个与爱因斯坦交谈并拿出记事本记下某些东西的人的故事。爱因斯坦问他:“你在做什么?”。那个家伙回答:“我在记事本上写下了我想到的任何好主意。 “爱因斯坦随后对他说:”就我而言,我从来不需要记事本,因为我一生中只有三个好主意。翻译?理查德·戈特(Richard Gott)认为,现在“我们正在等待下一个好主意”。

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