打假穿越剧！物理学告诉你：为什么我们不能穿越时空回到过去？

---

  新智元报道  

编辑：LRS

【新智元导读】科学总是给一些幻想打上不可能的标签。穿越时空大概是所有人最想做的事了，到过去见一见思念的人，到未来看看自己过的怎样。但广义相对论提出已经一百多年了，为什么时光机还没造出来！

怀旧空吟闻笛赋，到乡翻似烂柯人。

 

「烂柯人」讲的是晋朝一个叫王质的人上山砍柴，就看了一会别人下象棋，发现斧子已经烂了，回到家竟已过了数百年，和他同一时代的人都不在了。

 

 

但这个神话故事存在很多疑点，数百年的时光去哪了？王质进入了时空虫洞吗？要是再多看一会下棋，岂不是都穿越到2021年了？天上一天，地上一年有科学道理吗？

 

不少人也是在烂柯人的故事中感慨和幻想着「时空穿越」。

 

好消息是，爱因斯坦的相对论提供了一种穿越时空理论上的可能性，只需要超越光速或者进入能够扭曲时间的黑洞中，就能够穿越时空。

当然了，能否实现是工程上的问题，并非理论物理学家要解决的问题。

 

 

坏消息是，时间维度和空间的三个维度实际上是混合在一起的，虽然我们在空间中可以前进和后退，但时间维度上却无法倒流，这也是宇宙的规则。每当我们想要制造一台时光旅行机器，宇宙就会毫不留情的给你加一条规则。

 

想超光速进行时间旅行？不好意思，宇宙内不能超越光速。

 

时空旅行根本不可能？

关于时空旅行的辩论，从物理学一直打到了哲学。

 

法国科幻小说作家René Barjavel在1943年时提出了著名的「祖父悖论」。

假如你回到过去，在自己父亲出生前把自己的祖父杀死，那么此举动会产生一矛盾的情况：你回到过去杀了你年轻的祖父，祖父死了就没有父亲，没有父亲也不会有你，那么是谁杀了祖父呢？或者你的存在表示，祖父没有因你而死，那你又怎么杀死祖父？

 

 

但物理学家对此表示，如果现有理论解释不了，我就再来一个，于是「平行宇宙」出现了。

 

当你回到过去杀你的祖父时，你杀的其实是另一个宇宙的人，或者你的这个举动也可以创造一个新的平行宇宙，而祖父的死只会使那个平行宇宙的人不再存在，而这个平行宇宙的人则平安无事。

 

 

还有一种解释是，也许能够进行时空旅行，但你所能做的事实际上受到宇宙的限制，过去的事发生后无法再变，你不能杀死祖父，但你「扮演」一个陌生人给你的祖父和祖母安排一场相亲还是没问题的！

 

也有哲学家认为，是否时间这个概念只存在于人类意识中，只是用来同步人类感官的一种形式。也许错在我们，把这种主观概念强加给了宇宙，那关于时间的研究也就没什么意义了。

 

广义相对论带来希望

爱因斯坦于1916年在广义相对论（General Relativity）中首次将引力场解释成时空的弯曲。把宇宙想象成一个「大床垫」，上面的球越重，产生的凹陷越大，附近的球向他滚动的也越快，看起来就像是被吸引过去一样。除了空间维度外，床垫上的凹陷也会扭曲球附近的时间。

 

 

也就是说，有了广义相对论，我们就能知道床垫的凹陷程度，根据凹陷程度，我们又能知道床垫上的球如何运动。

 

为了造出时光机器，物理学家们又提出封闭类时曲线（Closed Time-like Curve, CTC）的概念，试图找到一条物质粒子在四维时空中的封闭运动轨迹。

 

也就是说，如果存在一条轨迹，能够让粒子在时空中走了一圈后又回到了原点，并且在整个过程中粒子的速度都没有超过光速的话（也没法超过光速），不就完成穿越时空了吗，时光机不就造出来了吗！

 

过去几十年科学家们一直在尝试解决时间旅行的问题，并且最诡异的是，CTC竟然在理论上是真实存在的！

 

著名数学家哥德尔发现，如果一个宇宙中充满了缓慢旋转的均匀尘埃（uniform dust），由于转动产生的离心力和引力相互抵消，我们能够在宇宙中找到缠绕在自己过去时间的轨道，这样的宇宙也称为哥德尔旋转宇宙。

 

 

于1916年首次提出的虫洞（wormhole）也能够充当时间机器。理论上来说，虫洞是连结两个遥远时空的空间隧道，由星体旋转和引力共同作用下产生的，虽然虫洞无处不在但却转瞬即逝。迄今为止，科学家们还没有观察到虫洞存在的证据。

 

1974年物理学家弗兰克进一步研究发现，如果存在一个无限长的圆柱体，当圆柱体旋转到接近光速的时候，它的外部时空已经是一个CTC了，如果沿着这个柱子走一圈就会发现自己又回到了原点，还会遇到另一个刚开始准备绕圈的自己。这个柱体也称为提普勒柱体。

 

 

黑洞的内部也是一个相当神奇的地方，同时存在极强的离心力和引力，也有可能产生CTC。

 

理论存在，实践开始！（误）

 

 

在广义相对论的框架下，还有更多CTC的解被研究出来，一次又一次的证明时间机器存在的可能性，但这些解都有着极其特殊的要求，特殊到真实世界中根本达不到要求！

 

随着物理学的进一步发展，在宇宙微波背景的观察下，我们只能绝望的宣布，宇宙并不是旋转，无限长的圆柱体并不存在，黑洞的内部出现了奇点（singularities，常用的物理学定律在奇点上统统失效），虫洞的不稳定性甚至无法承受一个光子的通过。

 

既然造时光机这么难，那我证明造不了时光机不就行了？

 

 

巧的就是，类似于上面的CTC的各种解，物理学家们总能在广义相对论中找到能够进行时间旅行的证据，但每次又能在这些方法中找到一些无法达成的条件，似乎上帝还没有决定好是否给人类开放「时间旅行」的权限？

 

由于在CTC的研究上没有取得任何进展，研究人员需要换一种思路来解释「为什么时间箭头只能向前」？

 

物理学家的第一反应就是研究基础粒子啊！但越研究就越困惑，微观粒子的相互作用竟然都具有「时间反演对称性」，也就是说一个粒子的运动过程不管是正着看还是反着看都是一样的。

 

 

就像手里拿着一个苹果向上抛，以抛作为起始节点，以接住为终止节点录了一段视频的话，就算视频是倒放的，我们也看不出来。

 

当然，宏观上是不存在时间反演对称性的。

 

由于热力学第二定律，所有孤立系统都会朝着最大熵状态进行演化，也就是说不管在宏观上做什么，只要有温度，微观粒子就在不停地运动，消耗能量，从而导致系统的熵（混乱程度）随着时间的一直在不断增大，两个系统之间无法进行反演。

 

有人在屋子里嗦了个粉，渐渐地屋子里都是螺蛳粉的味道，在屋子内所有的空气分子都在不停地运动，熵逐渐增大且不可逆，但空气中的分子间碰撞却是时间对称的。

 

 

热力学的箭头和时间的箭头好像突然一致了起来，所以熵就是时间？人类一直以为的时间概念只不过是熵增的一个过程？为什么宇宙是熵增的？

 

目前我们还没有观察到违反热力学第二定律的现象，但热力学对时间的解释只是「描述了时间不可逆这个现象」，并没有解释「时间是怎样产生的」。

 

虽然熵的概念在十八世纪中叶就提出来了，但目前也还没有人证明时间的推移和熵增之间的明确关联，物理学家们还在各种各样的概念中寻找灵感去解释时间，未来也许真的能制造出一个无限长的圆柱体、或者制造一个虫洞来进行时间旅行？

 

至少宇宙还没有明令禁止时间旅行！

 

 

关于「穿越时空」的讨论总是让人兴奋，但小编能做的只是坐等时光机的出现。

参考资料：

https://arstechnica.com/science/2021/11/why-the-expletive-cant-we-travel-back-in-time/