让我们设想这样的情况:一位宇航员驾驶着宇宙飞船, 以相对与一位静止观察者240,000公里/秒的速度飞行,飞 船又以240,000公里/秒的速度朝前方射出了一个物体.按 照一般常识.静止观察者可以把两个速度相加而得到被发 射物体的速度,那应该是480,000公里/秒.但是,这个速度 要比光速(299.725公里/秒)还大,按照爱因斯坦的狭义相 对论,这是不可能的.根据相对论公式,静止观察者测量到 的射出物体的速度应当是292,470公里/秒,只比飞船的速 度大52,470公里/秒.速度怎会丢失呢?要回答这个问题,必 须对时空本质进行一番研究.从这样的研究中,我们可以 得到启示,有朝一日我们能通过时间,往返进行终极旅行.
近代时空观
经典的概念,把时间看作象江河那样川流不息, 而与人类活动无关;但是,认为时间能加快,延迟或 改变的说法是不对的.无情流逝的年华必竟是绝对,客观的.
近代物理学家在研究可以压缩和拉伸的所谓 弹性时间问题,他们也在谈论时间凝固和不存在的 一些离奇的地方.
根据爱因斯坦相对论,当宇宙飞船的速度接近 光速时,宇航员的动作会显得很迟钝,他的表要走慢, 他的尺子要变短,用地球上的时间来衡量,他非得每 一分钟都变长了.这就是时间膨胀的含义.飞船越接 近光速,宇航员的表就走得越慢,尺子也变得越短. 如果他能达到光速,那么,他的尺子将会缩短到零,时 间也就会完全停止.
由于存在这些奇特的效应,宇航员用缩短的尺子 和走慢的表(现在,他的一分钟等于两分钟)测量的 射出速度,自然就会得出比静止观察者用"正常"度量 单位测量的大得多.而在宇航员看来,他的表和尺子 都很正常,似乎倒是宇宙里别人的速度在减慢,长度 缩短了.
在进一步,如果能以超光速飞行的话,时间就会 倒退.在这种情况下宇航员旅行会来的日子就会在他 离开的日子之前.这似乎是绝对不可能的,但是,在某 种情况下,却正是将要出现的事实!
相对论的时间概念说明了时间的伸缩性由观察者 的运动状态所决定.上述宇宙飞船发射物体的例子就 是一个简单的,业已证明的弹性时间的例证.根据相对 论的理论,这种情况之所以可能,是因为空间和时间紧 密相关,它们不能相互脱离而存在.
1915年爱因斯坦将狭义相对论扩展到广义相对论, 他指出:在巨大质量附近,空间会弯曲.这种弯曲会影响 物体的运动,显示它是一种力,在这里就是引力.光是 能量的一种形式,也有质量,在引力场中会弯曲.1919年 丁顿发现星� 通过太阳近旁时弯曲,证明了在巨大质 量的周围时空的确会发生弯曲,后来,通过使用高精度 原子钟,科学家证明了处于引力场中的时钟会的确会走 慢.当然,这个效应是如此之小,以至在离地球表面一英 里处,时钟每二十万年总共才慢一秒钟.
时间旅行
上述所讲的空间弯曲的效果是微小的,对未来的时间 旅行不会有什么价值.但是,我们从中已经看到了引力和 时间是密切相关的.从现实意义上讲,我们需要找到强得 多的引力源.我们知道,那些核燃料消耗殆尽的恒星,由于 自身强大的引力而塌缩,就形成了初始质量不同的三类天 体:白矮星,中子星和黑洞.这些超致密压缩的恒星物质核 可能就是通向宇宙遥远角落的大门,同时也可能就是通往 遥远未来和古老过去的时间之扉.三者之中最有希望为时 间提供可能性的是宇宙中最为奇特的天体---黑洞. 如果塌缩中的恒星具有大于三倍太阳的质量,内部的 引力将压倒一切阻力而继续塌缩,以致使其密度和引力场 大到任何东西都无法逃逸,甚至光.当质量十倍于太阳的 恒星,塌缩至半径等于18英里时,上述情况就会发生.这个 半径所决定的球面边界称为"出事线".由于没有什么力量 阻止,恒星还要继续塌缩,在若干分之一秒内,所有质量缩 成一个无限小的点--"奇点".在奇点上,时间和空间已不复 存在.在宇航员看来,时间很正常,只不过引力涨落使他感 到很不舒服.他径直不断地加速,在越过"出事线"后,只经 过一百万分之六十七秒,就闯入了"奇点",自身也就不复存 在了. 正当我们勇敢无畏的宇航员越过"出事线"前的瞬间, 他将发现整个宇宙和其中所有的时钟都在疯狂地加速, 每秒相当于十亿年.就在他越过"出事线"之时,宇宙的整 个未来都将在他的眼前闪过.这就是一种单向旅行的方 式,在这种情况下,宇航员永远不能再回到他出发前的那 个时刻了. 个时刻了. 什么是双向时间旅行呢?前面已经讲过,任何物体只 要加速到接近光速,时间就会出现崎变.设想一位宇航员 在22岁生日那天,以98%的光速飞向25光年处的星球,当他 回来时,他将发现自己正好来得及过32岁生日.越是接近 光速这个效应越明显.比如,当速度达到光速的99.999%时, 我们宇航员就能在几年时间内跑遍整个银河系,而在地球 上已度过了30万年!如果是用火箭加速器来进行这次旅行 的话,所消耗的能量将为地球整个历时消耗能量的数百万 倍,不过,从理论上看,这却是完全可能的. 通过时间膨胀单城进入未来(已由高能物理实验作出 了充分而被视为确定的事实),再通过某种途径回到我们的 宇宙来完成时间旅行.虽然这种形式不容易为大多数人所 接受,但他已经向我们透露了宇宙的真正奇妙之处,并向我 们打开了通向更加奇异的效应的大门.
时间旅行的可能性
宇宙中所有的星球都在旋转,而塌缩时却越转越快, 因此可以认为,不旋转的黑洞是极其稀有的,而旋转黑洞 对时间旅行家来说,又有许多文章可做. 理论预测指出如果黑洞质量足够大的话,人们能穿越 黑洞的出事线,进入另一个宇宙而不受损害.依所取的路 线不同,宇航员可进入未来宇宙或过去宇宙,一个由负空 间和反引力构成的宇宙,或是在不同的时间进入我们自己 的宇宙. 这些奇异的效应是实在的吗?是没有任何现实意义的数 学增根吗?设想有一个木匠要算出一间面积为256平方英尺 的正方形房间的边长,答案当然是16,亦即256的平方根. 但256的平方根可以是+16,也可以是-16.由于-16英尺没有 什么实际意义,因此这位木匠选用了正值.他这样做是不加 思索的只有物理学家和哲学家对此要思考一番. 哥伦比亚大学范因堡研究了相对论以后指出,相对论 公式并不排除超光速旅行,不允许发生的只是以光速飞行. 由于我们都生活在亚光速的世界里,因而都被不可逾越的 光障禁锢在现有的状态中. 但是,一道屏障总有两面.设想有一类粒子全都以超光 速运动而存在,光速是超光速粒子的下限,因为最低能态意 味着以无穷大速率运动.当然,我们感兴趣的是超光速粒子 与时间的关系.正如我们接近光速时时间变慢一样,超光速 粒子也是这样,不过有一点不同,在超光速粒子世界里,时间 甚至可以倒退.有的物理学家认为超光速粒子不过是数学异 常,因而应予摒弃,正如-16英尺对木匠来说毫无意义一样.
时间旅行的可能性(2)
有没有证据证明超光速粒子的存在呢?1973年 克雷和克罗许两位科学家研究了能量极大的宇宙 线雨,它们是由宇宙射线同地球高层大气原子发生 碰撞后产生的.克雷和克罗许推想,如果存在超光速 粒子,而且能在这种碰撞中产生出来,那么它们将比 宇宙射线先到达地面,因为宇宙射线接近光速.在对 1000例宇宙线雨研究之后发现事实正是如此.在宇 宙射线达到之前.确乎测到 了某种东西,这虽然还 不能证明超光速粒子的存在,但暗示了这个方向. 还可以进一步的推想,如果超光速粒子存在的话,那 么,反超光速粒子就会存在.物理学家费恩曼曾经指 出,正电子可以看作时间上倒退的电子.这样看来,反 超光子就是沿时间向后运动的超光速粒子. 有些物理学家还预测,在光障的另一面存在着超 光速粒子世界,而不必经历光速运动的阶段.在超光 速粒子世界里,我们将能突然穿越时间和空间,然后 按我们选定的时间和地点,潜回我们的宇宙.这一设 想我们可以用电子器件中的电子运动状态比拟.电子 器件中,电子从低能态跃迁到高能态时,一般都需通过 中间状态,但在隧道二极管中情况就不同,电子从势垒 的一边到另一边可以直接穿越势垒,即所谓的隧道效应. 另外,量子物理指出,物质和能量都是不连续的,是 一份一份的,而宇宙就是由这些小的份额组成的,时空 本身是否也是这样的呢?如果把时空量子化,就能避免 发生与黑洞有关的一些问题.即使是这样,仍然存在着 时间连续更加激动人心的可能性. 我们目前正处于科学的异常奇异的门槛上,我们 通过理论物理学的狭缝,看到了一些回答上述问题的 出路.宇宙远比我们想象的梗奇特,对于双向时间旅行, 数学不但为它提供了一席之地,而且向我们预示了未 来的方向.