时空穿梭理论

对于时间机器是什么模样,人们总有自己的看法。如果你热衷于H. G. 威尔斯的经典科幻小说改编成的20世纪60年代电影,那么时间机器在你印象里就是一个蒸汽动力工业时代的雪橇,上面有一把红色的丝绒座椅,周身灯光闪烁,背后还有一个巨大的旋转轮子。


时空穿梭是可能存在的,但它不会象电影《回到未来》中展示的那样。(有一件事可以肯定:不必担心父母不能生下你——你已经存在于这个世界上了。)上个月,Dutton出版社出版“宇宙差异”博客作者肖恩•卡洛尔(Sean Carroll)的最新作品《从永恒到这里:寻找时间终极理论》(From Eternity to Here: The Quest for the Ultimate Theory of Time)。此文章节录了这本书的部分内容。

对于时间机器是什么模样,人们总有自己的看法。如果你热衷于H. G. 威尔斯(H. G. Wells)的经典科幻小说改编成的20世纪60年代电影,那么时间机器在你印象里就是一个蒸汽动力工业时代的雪橇,上面有一把红色的丝绒座椅,周身灯光闪烁,背后还有一个巨大的旋转轮子。而对那些时空穿梭的想法形成于20世纪80年代的人来说,这种机器应该是一辆功率加强的无缝钢材质跑车。跑车的具体操作会因车型变化而各有不同,但它们都有一个共同点:当有人坐着它穿梭时空时,机器会极为夸张地凭空消失,到它出现时已经是很多年前或者很多年后了。大多数人都会告诉你,那样的时间穿梭跑车根本开不了,即使它看起来与《回到未来》电影中那辆德罗宁飞翼车一样。

他们的话可能对了一半:问题不在于时间穿梭车是怎样工作的,而是时间穿梭的一些形式没有必要不合情理。既然时间在某种程度上象空间那样(从一维空间到四维空间都是在一起的),一部运转的时间机器就应该象一架火箭那样急剧加速飞离而不是在一阵烟雾中消失。爱因斯坦用四度空间来描述我们的宇宙:其中三个是空间的,还有一个是时间的。因此,穿越时间回到过去就跟在第四维空间里走了一个圈没什么区别。所有你要做的就是利用一个极其强大的引力场,象黑洞那样的地方,来制造时空扭曲。以这种观点看来,时空穿梭似乎非常困难,但也不是完全没有可能。

如今,多数人都同意空间弯曲的理论。让他们在这个问题上屡屡犯错的实际上是一个更为困难的概念问题,一个关于时间穿梭的矛盾。这是对人如果回到过去就会改变历史进程的担忧。如果你穿梭到过去,回到出生以前的某个时刻,杀害了你的父母,那会发生什么呢?更广义一点说,我们怎样能避免在时空穿梭中改变我们认为自己已经经历的过去呢?科学家现在还不完全了解物理学的定律,不能确定在这些定律规则下时间是否能等同于走一个圆圈,或者按时空穿梭者的说法,一个 “封闭的时间型曲线”。如果物理学不是这方面的障碍,那么问题可能还是逻辑上的。封闭的时间型曲线一定会导致矛盾吗?

如果会导致矛盾,那么它们就不能存在了,就这么简单。逻辑上的矛盾不可能发生。更具体地说,对“在时空中这起具体事件出现的前后发生了什么”这个问题只有一个正确答案。有些事发生了:你走进一道门,完全是自己的意志驱使,你碰到其他人,不管出现怎样的情况,你可能由于某种原因再不会出现。有些事现在是现在那样,以前是以前那样,以后就是以后那样,只在特定的时刻出现而且永远都是属于那个时刻的。如果在发生的某件事里,你的祖父祖母共浴爱河,那就是发生的事。你不可能去改变这个事实,因为它发生过了。对发生在过去的一个封闭的时间型曲线时空里的事,你不可能改变。这就类似于说,在没有封闭的时间型曲线的平常时空中,你能改变已经发生的事。

我们会了解到,时间穿梭矛盾意味着存在一种改变我们过去的可能性,这一矛盾似乎很难解决,只因为它与我们自身自由意愿的定义相冲突。而如果在拥有封闭的时间型曲线的时空里,和谐一致的情况就可能是存在的。

为了说明这点,请想象自己碰巧坐上一架时间机器,这部机器的样子就象一扇门。当你从一个方向穿过它时,需要整一天回到过去,如果你从另一个方向穿过时,要花一整天去到未来。你走进门,在那里等着的是更年长的自己,两个你相谈甚欢。接着你离开了,走过门回到昨天。你并没有再来回穿过门,而是逗留了一天,遇到更年轻的自己(你现在已经变成了自己一天之前见到的那个更年长的自己。),在告别以前你和那个更年轻的自己又愉快地进行了交流。在所有事情上,每个人的情况都会和这个例子里的情形一致。

还会有更多戏剧性的故事发生,但它们也是与此前一致的。设想下我们做了时空之门的守门人,我们的工作就是保持警惕,看守那些穿过门的人。有一天,正站在门边的时侯,我们看到从门的后方走出一个人,是从未来某一天来的。那并不让人惊讶,它只意味着你会看到那个人走进了明天之门的前面。但因为你是看守人,所以就注意到他只是在那里停留了一天,整整24小时过去后,这位穿梭者又冷静地穿过了前门。其他地方的人再没有靠近过门。那24小时期间是这位时空穿梭者一生的时间。他一次又一次地经历着同一件事,虽然他本人没有意识到这点,因为他一直不能累积新的记忆。每一次穿越的旅行对他来说是完全一样的。那可能会让你觉得这种情况匪夷所思,或者说不可能出现,但它并不存在什么矛盾,或者说在逻辑上没有不一致。

实际的问题是:如果我们企图制造麻烦,会发生什么情况呢?也可以这么问,如果我们不按计划来行事会怎样?比如你在穿过前门以前遇到了比自己年长一天的自己,然后及时地向后跳开,就好像你会花一天时间闲逛来和过去的自己相遇。而一旦你确实及时地向后跳了,仍然会面对下一步要做什么的选择。是顺服地完成显而易见的命运呢,还是闲逛来制造麻烦?是什么阻止你去闲逛?那似乎也会造成一个矛盾。你更年轻的自己偶遇年长的自己,但你更年长的自己不打算合作,显然在破坏整个故事的一致性。

我们知道答案是什么:那不可能发生。如果你遇到更年长的自己,我们完全确定一旦你的年纪到了更年长的自己的那个时刻,你会在那里碰到更年轻的自己。那是因为,从你个人角度来说,那次碰面发生了,不可能让它不去发生,就象我们没有任何时间穿梭的矛盾就不能改变过去一样。在不同事件发生的时空可能会有不只一种一致的情形发生,但有一种、也只有那一种事情会真实地发生。一致的故事发生了,不一致的那些没有。让人烦恼的地方在于理解是什么使我们遵守一致的。

如果你想通了这个折磨人的问题,就会知道这是由于自由的意愿。我们都强烈地意识到自己不会预定去做那些不想做的事。如果我们已经发现自己正在做了,那就形成了一种难以继续下去的感觉。

当然,对有些类型的预定我们还是愿意接受的。如果从摩天大楼的顶层被扔出窗外,不管有多盼望飞走或者安全着陆到其他地方,我们都会希望很快到地面。封闭的时间型曲线意味着会有更具体类型的预定,在这类预定场景中我们似乎只不过不能做出特定的选择(比如在遇到未来的自己时走开),这实在让人烦恼。

问题的关键在于在封闭的时间型曲线中没有一个连续一致的“时间箭头”。时间箭头的目的只是为了区分过去和现在。我们能把一只鸡蛋变成一份煎蛋卷,但不能让一份煎蛋卷变成一只鸡蛋。我们记得昨天发生的,可不会记得明天能发生的。我们出生、成长、衰老然后死亡,这个顺序从来不会颠倒。就约束力小的一致性而言,科学家把所有这些时间的箭头的表现解释为一个系统的“无序”。一叠整齐收集的纸一致性低,而同样的纸张分散铺满一张书桌就有很高的一致性。任何系统的一致性由其自身的仪器决定,它不是随着时间推移而增加就是保持不变,这与热力学的第二定律相吻合。时间的箭头就是指一致性朝着未来的方向增加,而它在过去会比现在更低。

在通常情况下,类似“我们记得过去发生的,而不记得未来怎样”这样的话的确没错。而当出现了封闭的时间型曲线时,一些事件既出现在过去,也正在未来出现。那么我们还记不记得这样的事件呢?通常,沿着一个封闭的时间型曲线发生的事件不可能与沿着这个曲线不间断地增加的一致性相符合。那就出现了一个困惑:在一个封闭的曲线里,一致性必须从它开始的地方结束,而时间的箭头显示一致性会增加,不可能减少。这里需要给出一些解释了。

为强调这点,可以假想一位时空穿梭者从门口出现,来自一天以后的另一边,只进入这一边,这样一来他的整个生命就是一个一天不断重复的无穷循环过程。如果我们将这个循环看作在某一点上“开始”,那么就来考虑一下精确实现循环需要达到的具体标准。这位穿梭者将不得不保证,一天后自己体内的每单个原子正处于能够与他过去的自己完全结合的位置。比如,他的衣服上不能多出一片之前一天没有的灰尘。这似乎与我们已知的一致性增加的经验不符合。如果我们只是与过去的自己握手,而不是彼此融合,那么需要的精确度就完全不必高得这样离谱。不管在上述哪种情况下,我们都一定要在对的时间出现在对的地点,这就会很严格地限制自己未来可能做出的行为。

我们认为过去已经铁板钉钉,而未来还等待自己去把握。对自由意愿的观念就与此密切相关。甚至如果原理上相信物理学定律,完全遵循它来判断宇宙在一些特定状态下的演变,我们就不会知道那是种什么状态,以及在什么状态下真实世界一致性的增加会与任何可能出现的未来情况相一致。一个封闭的时间型曲线可能暗示着命运注定:我们知道未来自己身上会发生什么状况,因为我们已经在自己的过去目睹了这些情景。

换句话说,封闭的时间型曲线让未来代表了过去。它是已经板上钉钉,但不是完全等待我们来把握的。原因就是,我们认为过去是曾经确定的,未来全部由自己把握是因为在时间的开始有一个界定的条件。宇宙的一致性是以很小的物质开始的(在宇宙大爆炸的时刻),从那时到现在它一直都在增长。通常我们不会想象未来有任何相似的界定条件,因为一致性持续增长,而我们不能用这一信息去得出任何结论。如果我们用一个封闭的时间型曲线来观察未来的行为,那么这些行为就成了预先注定的。关于宇宙的历史,与我们通常从物理学定律中收集到的相比,那意味着更多也更超前的信息,而这让我们不安。

如果存在封闭的时间型曲线,那么确信所有事件都保持一致对我们来说就既奇怪又不合乎自然规律,感觉就象从后往前播放电影,或者是其他任何减少一致性的演变实例。这并非不可能,只是可能性很小。因此,既不可能存在封闭的时间型曲线,肉眼可见的大型物体也不可能以真正封闭的路径穿梭时空,除非我们觉得关于一致性和时间的箭头的所有看法都是错的。

在一个封闭的时间型曲线中,生活看来是很单调的。一旦你开始沿着这样的曲线移动,你就需要精确地回到你起始的地方。在外旁观的人却有着看来完全相反的问题:不能根据宇宙此前的状态预测出沿着这样的曲线会发生的状况。我们有着严重的思维局限,认为沿着一个封闭的时间型曲线演变必须是一致的。而在演变中总会出现大量可能的一致性问题,物理学定律似乎无法预测哪个人会真正穿越。

按照一般思维方式,物理学定律就象一台电脑一样运行。你输入了现在的状态,定律就输出一个结果,显示出稍后不久(或者依照我们所想知道的,此前不久)是什么状态。多次重复这一过程,我们就能从头到尾了解宇宙的整体历史进程。从这个角度看,完全了解现在就意味着完全了解所有历史。

封闭的时间型曲线会让这样进行的程序不复存在,就如同一项简单的思维实验所揭示的那样。让我们再回到时空穿梭者的例子:他出现在进入昨天的时间之门外,接着跳回一天后的另一边,形成了一个封闭的循环。这位穿梭者来自宇宙之前的时刻的状态,而此后不可能预测到这样的人的存在。我们在宇宙中是以一些特定时刻来起始的,没有封闭的时间型曲线。物理学定律让我们可以预测从那个起始时刻算起的未来会发生什么。在有人制造出时间机器,又创造出一个封闭的时间型曲线后,这种预测能力很快就消失了。神秘的穿梭者和其他自由物体能从稀薄的空气中出现,然后又很快消失,象他们的出现那样迅速。

我们可以坚持凭喜好认为,在封闭的时间型曲线中所出现的情况都是一致的。但即使能通过物理学定律和宇宙在特定时刻中的状态来判断未来,这些要求也还不足以预测所有事件。事实上,封闭的时间型曲线能让“在某个特定的时刻中的宇宙”不能自圆其说。通常,我们能以想象把四维空间的宇宙“切割”成三维空间里 “时间的时刻”。在封闭的时间型曲线存在的环境下,我们一般不能那样切割时空。在当地,也就是在时空中任何特定点的前后附近,我们总能将事件分为“过去” 和“现在”,但不可能在整个宇宙中这样做。与封闭的时间型曲线相关的这种扭曲会导致我们的切分转回原处,不可能把所有的时空分成各自不同的时刻。

因此,我们不得不放弃这种决定论的观念,即认为宇宙的状态在任何一个时刻决定了其他所有时刻的状态。同时也不得不放弃自由意愿,因为能目睹我们未来的一部分历史就意味着有一定数量的预先注定存在。

我们能将决定论的价值高估到要彻底拒绝承认封闭的时间型曲线存在吗?不必如此。可以想象这是一种物理学定律规定的不同方式,不象电脑那样凭借现在的时刻来计算下一个时刻,而是象一系列条件,它们被强加在作为一个整体的宇宙历史中。现在还不清楚这样的条件是什么,可我们不能出于单纯的想法就排斥这种观点。

所有这些推理听起来人们就像是在犹豫不决,但它也给了我们一个重要的教训。一些人对时间的理解是基于逻辑和已知的物理学定律,而其中一些纯粹只是出于方便省事以及来自听起来合理的假设。我们认为,从了解现在的状态就能判断特定的未来是很重要的,但真实世界可能会有其他观点存在。如果物理学家发现封闭的时间型曲线确实存在,我们将不得不彻底重新思考理解时间的方式。那样一来,宇宙就不能完美地分割成一系列独立的时间的“时刻”了。

由封闭的时间型曲线引起的这些困惑,它们的最终答案也许是这些曲线不可能存在。假如的确不存在,那也是因为物理学定律没有让你把时空扭曲到一定程度来创造这些曲线,并不是因为定律让你的祖父在你出生前就夺去你的生命。

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  1. 这个真的好笑吗

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