根据目前的物理理论,人类有可能进行时间旅行吗?

正如几位回复者指出的那样,我们一直在时间中旅行——只是向前,并且以相同的速度。但说真的,正如加州大学圣巴巴拉分校的物理学教授加里·T·霍洛维茨所指出的那样,时间旅行不仅仅是幻想。

“或许令人惊讶的是,这实际上是一个微妙的问题。我们目前的自然规律并没有明显地排除这种可能性。最近对这个问题的研究提供了一些证据,表明答案是否定的,但尚未被证明是不可能的。”

即使是时间旅行的微小可能性也产生了如此大的吸引力,以至于许多物理学家继续研究的不仅是它是否可能,还有如何实现它。


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该领域的主要研究人员之一是蒙大拿州立大学的物理学教授威廉·A·希斯科克。以下是他对此事的看法:

“有可能进行时间旅行吗?要回答这个问题,我们必须更具体地说明我们所说的“时间旅行”是什么意思。撇开时间的日常进程不谈,这个问题可以分为两部分:是否有可能在短时间内(少于人类的寿命)旅行到遥远的未来?是否有可能回到过去?”

“我们目前对基本物理学的理解告诉我们,第一个问题的答案是肯定的,而第二个问题的答案可能是肯定的。”

“旅行到遥远未来的机制是利用狭义相对论的时间膨胀效应,该效应指出,移动的时钟越接近光速,其滴答速度就越慢。这种效应已得到大量实验测试的支持,适用于所有类型的时钟,包括生物衰老。”

“如果一个人乘坐宇宙飞船离开地球,宇宙飞船可以以舒适的一个g(一种产生等于地球表面重力的力)的加速度持续加速,那么他大约在一年内就会开始接近相对于地球的光速。随着飞船继续加速,它会越来越接近光速,它的时钟相对于地球的运行速度会越来越慢。在这种情况下,往返银河系中心并返回地球——大约 60,000 光年的距离——只需要 40 多年的飞船时间即可完成。当返回地球时,宇航员只会老 40 岁,而地球上已经过去了 60,000 年。(请注意,这里没有“双生子悖论”,因为毫无疑问,太空旅行者已经感受到了 40 年的持续加速,而留在围绕地球运行的宇宙飞船上的假设的双胞胎则没有。)”

“这样的旅行会带来巨大的工程问题:所需的能量,即使假设质量完美地转化为能量,也大于行星的质量。但是,已知的物理定律中没有任何东西可以阻止这种旅行发生。”

“回到过去的时间旅行,这才是人们通常所说的时间旅行,是一个更加不确定的命题。爱因斯坦广义相对论的方程有很多解,允许一个人沿着一条时间线,导致她(或他)在较早的时间遇到自己——或者她的祖母。问题是决定这些解决方案是否代表了现实宇宙中可能出现的情况,或者它们是否仅仅是与已知物理学不兼容的数学怪癖。没有任何实验或观察表明时间旅行正在我们的宇宙中发生。理论物理学家在过去十年中做了大量工作,试图确定在一个最初没有时间旅行的宇宙中,是否可以制造时间机器——换句话说,是否有可能操纵物质和时空几何,以创建新的路径,从而在时间上循环返回。”

“如何制造时间机器?目前正在讨论的最简单的方法是使用虫洞(连接时空分离区域的隧道),并使虫洞的一个口相对于另一个口具有相当大的速度。那么,穿过虫洞将允许穿越到过去。”

“说起来容易——但是从哪里获得虫洞呢?尽管过去十年对虫洞的理论特性进行了广泛研究,但对于如何形成一个足够大到足以让人类或宇宙飞船通过的宏观虫洞知之甚少。一些关于量子引力的推测性理论告诉我们,时空在最小尺度上具有复杂的泡沫状虫洞结构——10^-33厘米,或比电子小十亿亿倍。一些物理学家认为,有可能抓住这些真正微观的虫洞之一并将其放大到可用的大小,但目前这些想法都是非常假设性的。”

“即使我们有虫洞,自然会允许我们将其转换为时间机器吗?斯蒂芬·霍金提出了“时间顺序保护猜想”,该猜想指出自然法则阻止了时间机器的创造。然而,目前这仅仅是一个猜想,尚未得到证实。”

“理论物理学家研究了物理学的各个方面,以确定这条或那条定律是否可以保护时间顺序并禁止建造时间机器。然而,在所有的搜索中,只发现了一点可能禁止使用虫洞进行时间旅行的物理学知识。1982 年,美国海军学院的黛博拉·A·孔科夫斯基和我表明,随着时间机器的启动,无质量量化场(例如光子)真空状态的能量将无限增长,从而有效地阻止了它的使用。霍金和加州理工学院的基普·S·索恩的后续研究表明,尚不清楚增长的能量是否会以足够快的速度改变时空几何,从而阻止时间机器的运行。蒙大拿州立大学的田中恒文和我最近的工作,以及华盛顿大学的大卫·布尔沃的独立研究表明,具有质量(例如电子)的场的真空状态能量不会增长到无限水平;这一发现表明,可能有一种方法可以设计粒子物理学,使时间机器能够工作。”

“过去十年研究的最大惊喜或许是,物理定律并非明显地禁止时间旅行。越来越清楚的是,这个问题可能要等到科学家们开发出适当的量子引力理论才能解决。”

密尔沃基威斯康星大学物理系的约翰·L·弗里德曼也对这个问题进行了大量的考虑:

“狭义相对论意味着静止(或不加速)的人或时钟的年龄增长速度快于往返旅行中的伙伴,在往返旅行中,一个伙伴会改变方向以返回自己的伙伴。在世界上的粒子加速器中,每天都会测试这一预测:以接近光速在圆圈中移动的粒子衰变速度比静止的粒子慢,衰变时间与理论的测量精度高度一致。”

“在狭义相对论的框架内,粒子不能比光速快的这一事实阻止了人们在高速旅行后返回到早于出发时间的时间。但是,一旦包含引力,时空就会弯曲,因此广义相对论的方程有解,其中粒子可以沿着将它们带回到较早时间的路径行进。求解广义相对论方程的几何形状的其他特征包括引力透镜、引力波和黑洞;过去二十年中,射电和 X 射线天文学的重大发现导致了引力透镜和引力波的观测,以及银河系中心巨型黑洞和垂死恒星坍塌产生的恒星级黑洞的有力证据。但是似乎没有允许时间旅行的时空区域,这提出了一个根本问题,即是什么禁止了它们——或者它们是否真的被禁止。”

“最近的一个惊喜是,人们可以规避“祖父悖论”,即粒子路径循环回到较早的时间在逻辑上是不一致的,例如,一个孙女可以回到过去来除掉她的祖父。对于几个简单的物理系统,物理方程的解适用于任何起始条件。在这些模型系统中,总会有某种东西介入以防止与谋杀某人的祖父类似的不一致性。”

“那么,为什么似乎没有时间机器呢?有两种不同的答案与我们的知识相符。第一个答案很简单,经典理论的解集比正确的量子引力理论的解集要广泛得多。因果结构以根本的方式进入量子引力,而具有时间循环的经典时空是虚假的——换句话说,它们不接近完整理论的任何状态,这并非不可能。最近以时间顺序保护为名的结果提供了第二个可能的答案:人们假设量子引力允许违反因果关系的微观结构,并且表明宏观物质的特性禁止存在具有宏观大时间循环的区域。创建时间机器需要负能量,而量子力学似乎只允许极小的负能量区域。并且创建具有时间循环的普通大小区域所需的力量似乎非常大。”

“总结一下:物理定律很可能排除了宏观时间机器,但时空可能充满了微观时间循环。”

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