霍金撰文探討怎建時間機器 尋找穿越第四維通道

(英文稿: 霍金：如何建造一部時光機 )

霍金撰文探討怎建時間機器 尋找穿越第四維通道
2010年05月05日08:16

虫洞是根據愛因斯坦相對論預測的連接時空中兩個不同地點的假想“隧道”或捷徑，上面的三維圖輪廓集中呈現了這一點：負能量將時間和空間拖入一條隧道入口，並在另一個宇宙出現。虫洞至今仍是一種假設，因為從沒有人見過，但在一些電影中被描述成時間旅行的通道，比如《星際奇兵》(1994年)和《時光大盜》(1981年)，前者將虫洞描述成宇宙之間有門的隧道，后者則是天體圖中展現了虫洞的位置

　　北京時間5月5日消息，據國外媒體報道，繼警告人類勿主動與外星人接觸以后，英國著名物理學家斯蒂芬-霍金又拋出一個驚人言論。在一篇探討如何建造“時間機器”的文章中，霍金詳細分析了人類如何利用自然規律實現“時間旅行”的偉大夢想。盡管這一概念看起來有些荒誕，但他仍認為人類終有一天會實現這一夢想。以下是文章主要內容。

　　尋找穿越第四維的通道

　　大家好，我是斯蒂芬-霍金，是物理學家、宇宙學家及夢想家，盡管身體不能活動，隻能通過電腦與大家交流，但從內心中我是自由的，自由地探索宇宙，思考以下重大問題：時間旅行是否可行？能否打開一個回到過去的通道，或找到通向未來的捷徑？我們最終能否利用自然規律成為掌控時間的主人？

　　在科學界，時間旅行一度被認為是歪理學說。過去因為擔心有人會把怪人的標簽貼在自己身上，我對這個問題常常避而不談。但現在，我不再那麼謹小慎微了。事實上，我更像是建造了巨石陣的那些人。我對時間痴迷已久，如果有一台時間機器，我會去拜訪風華正茂的瑪麗蓮-夢露，或是造訪將望遠鏡轉向宇宙的伽利略。或許，我還會走到宇宙的盡頭，破解整個宇宙湮滅之謎。

　　為了讓這一切從虛幻變成現實，我們應以物理學家的角度來重新審視時間——即第四維。這個問題沒有聽上去那麼晦澀難懂。每個好學的孩子都知道，任何物體都以三維形式存在，包括坐在輪椅上的我。一切物體都有寬度、高度和長度。此外，還有一種長度——時間的長度。例如，雖然一個人可能活了80歲，但巨石陣的石頭卻數千年屹立不倒。太陽系的運行將持續數十億年。

　　一切物體都有時間以及空間的長度。時間旅行意味著我們要經過第四維。要想搞明白這一點，我們可以想象正在從事一種日常活動，比如開車。開車沿直線行駛，是在一維中旅行。向左轉或是向右轉，則是二維旅行。驅車上下山路意味著又多增加了高度，所以是在三維空間內。那麼我們怎樣才能實現時間旅行？怎樣才能發現穿越第四維的通道呢？

　　無處不在的“虫洞”

　　讓我們暫時從科幻電影中尋找答案吧。在此類電影中，通常會有一台巨大而高能耗的時間機器，這台機器產生通往第四維的通道——“時光隧道”。時光旅行者——勇敢但可能有些魯莽的人，做好我們大家所知道的准備，然后走進時光隧道，來到一個他們想要到達的時間裡。這一概念可能有些牽強，事實可能與之存在著天壤之別，但該想法本身不是那麼的瘋狂。

　　物理學家們也在思考時光隧道，但我們的角度不同。我們想搞清過去或未來的通道是否存在於自然規律中？事實証明，我們認為確實是這樣的。而且，我們還給它們起了一個名字：虫洞。其實，虫洞無處不在，只是因為太小，我們肉眼看不到罷了。虫洞非常小，存在於時空的隱蔽處和縫隙裡。你或許認為這是一個難以理解的概念，請耐心聽我繼續解釋吧。

　　任何物質都不是平整無暇和實心的，如果仔細觀察，會發現它們上面都存在小孔和裂縫，這是一個基本的物理原理，同樣適用於時間。即便是像台球一樣的東西，上面也有裂縫、褶皺或空洞。現在容易說明這種情況也存在於第一個三維中。相信我，這一原理同樣適用於第四維。時間也存在許多微小的裂縫、褶皺和空洞。在最小的刻度下——比分子甚至原子都小，我們來到一個稱為量子泡沫(quantum foam)的地方，這是虫洞存在之處。

　　時空中的微小隧道或捷徑不停地在這個量子世界中形成、消失和重新形成。它們可以連接兩個隔離的空間以及兩個不同的時間。不幸的是，現實生活中這種時光隧道非常狹小，即使發現了它們，我們也不能從這個縫隙穿過——可這正是“虫洞時間機器”概念的前進方向。部分科學家認為，或許有一天捕捉到一個虫洞，將它放大數萬億倍，令其足夠的大，能讓人甚至飛船進入。

　　如果我們擁有足夠的能量和先進的技術，將來或許甚至能在太空中建造一個巨型虫洞。我並不是說一定可以做到，但如果真的有這種裝置，那麼確實很了不起。一端在地球的附近，另一端則在遙遠的星球附近。從理論上講，虫洞或時光隧道不僅僅能把我們帶到別的星球。如果兩端在同一個地方，且由時間而非距離分離，在遙遠的過去，飛船就能在地球附近自由出入。或許恐龍會看到飛船登陸的場景。

　　“瘋狂科學家”悖論

　　如今，我意識到以四維方式思考並不容易，虫洞是一個令你絞盡腦汁的概念。我一直想做一個簡單的實驗，揭示人類通過虫洞的時間旅行是否可行，或是現在，或是未來，我喜歡簡單的實驗和成功后的香檳酒。所以，我將自己最喜歡的兩件事情結合起來，探討時間旅行是否可行。讓我們設想一下這樣的場景，我參加一個為未來旅行者舉辦的歡迎宴會。

　　由於出現意外，我沒有讓別人知道，直至歡迎宴會結束以后。我寫好了邀請函，注明了准確的時間和空間坐標。我希望它能以這樣或那樣的形式存在數千年。或許，未來一天有人會發現邀請函上的信息，利用虫洞時間機器回到我的宴會，証明時間旅行將來是可行的。

　　與此同時，時間旅行貴賓應該隨時會降臨，五個或一個。但就在我說話的工夫，仍沒有人到來，真是慚愧。我希望至少未來的“環球小姐”能踏進這扇門。這項實驗為何不奏效？一個原因可能是回到過去的時間旅行所存在的問題——我們稱之為悖論，一個眾所周知的問題。探討悖論是一件很有趣的事情，最著名的悖論通常被稱為“祖父悖論”。

　　我有一個新的簡化版本——“瘋狂科學家”悖論。我不喜歡一些電影中科學家被描述成瘋狂的群體，但在這種情況下，確實如此。這個家伙決心建立一個悖論，即便付出生命代價在所不惜。可以想見，他是在建造虫洞——僅需一分鐘就來到過去的時光隧道。通過虫洞，這位科學家可以看到他一分鐘以前的自我。

　　如果這位科學家利用虫洞向以前的自我開槍，會發生什麼事情？他現在已經一命嗚呼。那又是誰開的槍呢？這便是一個悖論，聽上去毫無意義。但這卻是那種讓宇宙學家做噩夢的狀況。這種時間機器會違反整個宇宙所遵循的基本規則。我認為一切皆有可能。如果真是如此，那麼就沒有任何辦法阻止整個宇宙陷入混亂。所以，我認為有些事情總會發生以阻止這種悖論。

　　探索通向未來的“鑰匙”

　　在某種程度上，這或許是科學家永遠不會發現他面臨向自己開槍境地的原因。在這種情況下，我隻能遺憾地告訴大家，虫洞本身就是一個問題。最后，我認為像這樣的虫洞不能存在，原因就是反饋。如果你有到搖滾演唱會現場觀看演出的經歷，你可能會辨別出這種尖利的噪音。這就是反饋，引起反饋的原因很簡單。聲音進入麥克風，通過電線傳播，經由擴音器令聲音放大，在一個環狀物內繞來繞去，每次令聲音比上一次更大。如果沒人阻止，反饋能夠破壞音響系統。

　　虫洞也會遇到這種問題，隻不過聲音換成了輻射。一旦虫洞變大，大自然的輻射物會進入，最終形成一個環路。反饋變得如此強勁，最終摧毀虫洞。雖然微型虫洞確實存在，也有可能在某一天不斷膨脹，但持續時間不會太長久，所以不能當作時間機器使用。這是沒人能及時回到我晚會的真正原因。任何通過虫洞和其他方式回到過去的時間旅行或許都是不可能的，否則，悖論就會出現。

　　因此，遺憾的是，回到過去的時間旅行應該永遠不會上演。對於尋找恐龍的人來說，這會令他們大失所望，但對於歷史學家而言，他們可以徹底解脫了。故事到此並未結束。這並沒有使所有的時間旅行不可行。我確實對時間旅行深信不疑，對通向未來的時間旅行更是如此。時間就像河流，我們每一個人仿佛被時光的流動無情地卷走，隻不過時光是另一種形式的河流——以不同速度、在不同地點流動，這是通向未來的“鑰匙”。

　　一百多年前，愛因斯坦最早提出了這一概念。他認為，世上應該存在讓時間慢下來的地方，以及讓時間加速的地方。他絕對是正確的，証據恰恰就在我們的頭頂。這便是全球定位系統，簡稱GPS。一個衛星網絡正在地球周圍軌道運行，它們使得衛星導航成為可能，同時還表明時間在太空的運行速度快於在地球上。每一艘太空飛船內部都是一台運行精確的鐘表。雖然如此精確，但每天仍會快十億分之一秒左右。

　　衛星導航系統必須為此做出矯正，否則，微小的差異就會擾亂整個系統，令地球上所有的全球定位系統每天都會出現大約6英裡(約合9.7公裡)的誤差。你可以想象由此造成的后果。鐘表並不存在這樣的問題，走得快是因為時間在太空比在地球運行快。造成這種非同尋常影響的原因是地球的質量。愛因斯坦發現，物質會減緩時間運行速度，就像是河的下游一樣。物體越重，對時間的阻力越大。這種驚人的事實為通向未來的時間旅行開啟了大門。

引力無窮的超大質量黑洞

　　恰恰在銀河系中心，距離地球2.6萬光年遠的地方，擁有銀河系中最重的天體——一個質量相當於四百萬個太陽的超大質量黑洞，在自身引力作用下，它被壓縮為一個點。距離這個超大質量黑洞越近，遭遇的引力就越強。一旦距離其過近，連光線都無法逃脫，會被吞噬。這樣的超大質量黑洞對時間具有顯著的影響，令其減緩的速度遠遠超過銀河系中的任何物體。這使得它是台“天生的時間機器”。

　　我喜歡想象宇宙飛船如何能充分利用這種現象。如果某個航天機構正在控制從地球發射的探測器，他們會發現繞軌道運行一圈的時間為16分鐘。對於飛船上的勇敢者來說，靠近這個超大質量物體，時間就會慢下來。在這裡，引力影響遠比地球引力極端。機組人員的時間將會減慢一半。對於原本每圈要耗費的16分鐘，他們其實僅經歷了8分鐘。

　　想象一下，當飛船及機組人員繞這個黑洞運行五年時，別的地方已經過去了十年。當他們回到家鄉，地球上的人比他們老了五歲。所以，超大質量黑洞就是一台時間機器，當然，這還不是非常的實用。超大質量黑洞之所以比虫洞更有優勢，是因為不會激發悖論。此外，它不會因反饋走上自我毀滅之路。

　　然而，通向未來之旅並非一路坦途。地球距離未來世界漫長無邊，讓我們距離未來非常遙遠。幸運的是，我們還有另一種時間旅行方式，這也是我們建造貨真價實的時間機器最后、也是最大的希望。旅行速度必須超級快，甚至比避免被吸進黑洞所需要的速度還快。這是因另一個涉及宇宙的奇怪事實所致。宇宙中存在著速度限制，即每秒鐘18.6萬英裡(約合30公裡)，亦稱光速。

　　任何物體不能超越這一速度。這也是科學界最成熟的理論原則之一。無論是否相信，以接近於光速的速度旅行可以將你送達未來世界。要想理解這一點，我們可以想象一個具有科幻色彩的交通系統——一條遍布地球周圍的軌道，為超高速火車准備的軌道。我們將利用這列想象出來的火車，盡可能地接近於光速，看它如何變成一台時間機器。列車上的乘客購買了通向未來的單程車票。火車開始加速，越來越快，不久開始繞地球一圈圈運行。

　　如何突破速度限制

　　達到光速意味著繞地球運行速度要飛快，比如每秒鐘繞7圈。不過，無論這列火車的動力有多強勁，它永遠也無法到達光速，因為物理學原理令其做不到這一點。假設它接近光速，距離這一終極速度還有一點距離。現在非同尋常的事情發生了。列車上的時間相對於地球開始減緩，就如同靠近超大質量黑洞一樣，而且有過之而無不及。列車上一切物體的活動都變慢。這是為了保護速度限制，原因並不難理解。

　　想象一個孩子跑向迎面而來的火車。他前沖的速度增加至列車的速度上，所以，他難道不能在意外中突破速度限制嗎？答案是否定的。自然規律會令列車上的時間減緩，使得這一幕永遠不會發生。這個孩子跑得再快，也不能打破速度限制。時間總是會減慢，足以“保護”速度限制。這一事實源於耗費多年踏上未來之路的可能性。

　　想象一下這樣的場景：2050年1月1日，一列火車離開車站，繞地球軌道一圈又一圈，直至100年以后，最終在2150年新年夜停下來。此時，乘客們在世上的時間也隻剩下一周，因為身在火車上，時間過得非常慢。當他們離開火車，會發現一個完全不同於車上環境的世界。在一周內，他們已經在通向未來的道路上前進了100年。

　　當然，建造一列能達到這種速度的超高速火車的可能性微乎其微。不過，我們已經在位於瑞士日內瓦的世界最大的粒子加速器——大型強子對撞機——建造了這樣的裝置。大型強子對撞機位於瑞士和法國交界地下100米深處一條總長16英裡(約合25.75公裡)的環形隧道內，一旦開足馬力，這台對撞機能在瞬間從零加速至每小時6萬英裡(約合每小時9.7萬公裡)。

　　令動力和粒子的速度變得越來越快，直至它們能以每秒1.1萬圈的速度繞隧道運行，這時，速度將接近於光速。但是，就像是上面描述的那列火車一樣，它們永遠無法到達這一終極速度，最快隻能達到光速的99.99%。發生這種情況的時候，進行時間旅行是不切合實際的。由於一種稱為兀介子的“短命”粒子，使我們了解了這一點。通常情況下，兀介子會在250億分之一秒內分解。當它們被加速至接近光速時，壽命是以前的30倍。

　　“天上一日，地下一年”

　　情況的確就那麼簡單，如果我們想踏上未來之旅，那麼速度必須快。我認為實現這一目標的唯一途徑是進入太空。在人類歷史上，速度最快的載人飛船“阿波羅”10號，速度為每小時2.5萬英裡(約合每小時4萬公裡)，但要實現在時間中旅行，我們的速度必須是“阿波羅”10號速度的2000倍。按照這種思路，我們應該先制造一個巨大的飛船，裡面可以裝載著巨量燃料，令其加速至接近於光速，在全負荷動力運行下，實現這一目標仍需要六年時間。

　　由於飛船如此的龐大和沉重，最初的加速度相對平緩。隨著時間的推移，飛船速度非常快，不久即覆蓋廣大區域。一年以后，我們到達了系外行星。兩年后，它的速度將達到光速的一半，距離太陽系越來越遙遠，再過兩年它可能會已經達到光速的90%。在發射四年后，飛船距離地球30萬億英裡(約合4.8萬億公裡)遠，這意味著飛船將開始時間旅行，屆時，它的速度接近於光速，在船上呆一天，相當於在地球上呆兩天。

　　再經過另外兩年全負荷動力飛行，飛船將到達其最高速度——相當於光速的99%。在這一速度下，在船上呆一天，那就意味著在地球上度過一年的時間。飛船確實“飛進”了未來。時間變慢還有另一個優勢，從理論上講，這意味著我們一生當中可以跨越無盡的距離。探索銀河系邊緣之旅將耗費80年的時間。

　　然而，未來之旅真正驚奇之處在於，揭示整個宇宙有多麼的奇特。在宇宙中，不同的地點，時間運行的速度不同﹔微小的虫洞存在於我們周圍每一個角落﹔最終，我們將利用掌握的物理學知識，成為穿越第四維的真正宇宙旅行者。(來源：新浪科技 孝文)

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