在人类对时间奥秘的无尽遐想中,去未来旅行与回到过去,一直是充满魅力的话题。
80 年代那部标志性的电影三部曲《回到未来》,为我们描绘了一幅诱人的图景:能够回到过去,修正曾经犯下的错误;还能前往未来,提前调整自身行为,这无疑是每个追求完美之人的梦想。然而,当我们从电影幻想走进现实世界,物理学对此有着自己的解读。
事实上,时间旅行的概念并非仅存于科幻小说的虚构范畴。
科学表明,无论我们如何行动,有一件事无法自主掌控,那就是时间的流逝。无论你是在原地完全静止,还是加速到接近光速,在自身所处的参照系中,时间始终以恒定的速度向前推进。这一结论看似平常,实则蕴含着深刻的科学内涵。1905 年,爱因斯坦提出狭义相对论,这便是该理论令人震惊的推论之一。
从微观层面来看,光子,或者任何质量为零的粒子,在其自身参照系中,根本不会经历时间的变化。从光子被发射的那一刻,到它被吸收的瞬间,对于大质量的观察者(比如人类)而言,其间有时间的流逝,但从光子自身的参照系出发,整个宇宙在其运动方向上收缩成一个点,发射与吸收同时发生,一切都在瞬间完成。
然而,我们人类有质量,这一基本属性决定了有质量的物体,其运动速度始终被限制在低于光速的范围。并且,无论一个物体相对于其他物体运动速度有多快,也无论是否处于加速状态,在它的感知中,光始终以恒定速度 —— 真空中的光速运动。
这一特性带来了一个奇妙的结果:当你观察一个相对于你运动的人时,会发现他们的时钟走得比你的慢。
我们可以想象一个 “光钟”,其工作原理是光在两面镜子之间来回反射。运动中的人相对于你移动得越快,光在水平方向的位移就越大,而垂直方向的上下移动就相对越少,于是在你眼中,他们的时钟就显得越慢。反之,在对方眼中,你的时钟同样会显得更慢。但显然,这不可能同时成立。当两人再次处于同一位置时,其中一人会比另一人衰老得更慢。
这就是爱因斯坦 “孪生悖论” 的核心所在。
简单来说,假设两人起初处于同一参照系(例如都在地球上),其中一人乘坐飞船以极快速度进行星际旅行,他的时间流逝速度就会变慢,而留在地球上的人则保持正常的时间流速。
所以,如果渴望在时间中快速前进,只需加速到接近光速,以这个速度持续移动一段时间,然后回到初始位置。理论上,依据设备的性能,你可以实现前往未来几天、几个月、几十年,甚至数十亿年之后的旅行。如此一来,你能够见证人类的进化与毁灭、地球与太阳的终结、星系的解体,乃至宇宙本身的热寂。只要宇宙飞船中有足够的能量,就能尽情遨游到遥远的未来。
然而,“回到过去” 的情况则截然不同。仅凭借简单的狭义相对论,也就是空间和时间的基本关系,我们能够实现前往未来的时间旅行。但如果想要回到过去,就必须借助广义相对论,即研究时空与物质和能量之间的关系。在广义相对论的框架下,空间和时间构成一个不可分割的整体结构,物质和能量的存在会扭曲时空,引发时空结构本身的变化。
就我们目前对宇宙的认知而言,时空相对较为 “平淡”:它近乎完全平坦,几乎不存在弯曲,其形状或(可识别的)形式也不会自我循环。
但在一些理论上的模型宇宙中,也就是爱因斯坦广义相对论的某些解里,存在回到过去的可能性。比如,当空间呈现自我循环的状态时,朝着一个方向持续旅行足够长的距离,最终能够回到起点,这是封闭宇宙模型下可能出现的结果。在这类模型中,不仅存在封闭的类空曲线解,还存在封闭的类时曲线解,这意味着理论上可以回到过去。
但需要明确的是,这仅仅是数学上的解。问题的关键在于,这些数学模型是否真实描述了我们所处的物理宇宙?现实情况似乎并非如此。我们的宇宙所需要的时空曲率和 / 或不连续性,与实际观测结果严重不符,即便在中子星和黑洞附近,也不存在能满足回到过去条件的时空特性。
我们的宇宙或许存在旋转,但通过观测得到的旋转极限,相比实现封闭类时曲线所需的条件,足足低了一亿倍,这一限制极为严苛。
所以,如果想在时间中前进,像电影中加速的德罗宁汽车(假设这种加速达到相对论效应的速度),或者爱因斯坦最初设想的加速火车,理论上都能带你实现。
但想要回到过去呢?很可能无法像幻想中那样,回到过去阻止父亲迎娶母亲,从而避免时间悖论的产生。
尽管《飞出个未来》等影视作品激发了我们对时光倒流的无限想象,但时光倒流的概念大概率仍将停留在虚构作品中。
从数学角度而言,并非完全没有可能,但宇宙是基于物理学构建的,而物理学只是数学解中的一个特定子集。在现实世界中,通过回到过去纠正错误的梦想,恐怕只能永远存在于我们的想象之中了。