霍金撰文探討如何建造時(shí)間機(jī)器實(shí)現(xiàn)“時(shí)間旅行”
日期：2010-05-06 07:36:21
北京時(shí)間5月5日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，繼警告人類勿主動(dòng)與外星人接觸以后，英國(guó)著名物理學(xué)家斯蒂芬·霍金又拋出一個(gè)驚人言論。在一篇探討如何建造“時(shí)間機(jī)器”的文章中，霍金詳細(xì)分析了人類如何利用自然規(guī)律實(shí)現(xiàn)“時(shí)間旅行”的偉大夢(mèng)想。盡管這一概念看起來(lái)有些荒誕，但他仍認(rèn)為人類終有一天會(huì)實(shí)現(xiàn)這一夢(mèng)想。以下是文章主要內(nèi)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(xué)家、宇宙學(xué)家及夢(mèng)想家，盡管身體不能活動(dòng)，只能通過電腦與大家交流，但從內(nèi)心中我是自由的，自由地探索宇宙，思考以下重大問題：時(shí)間旅行是否可行？能否打開一個(gè)回到過去的通道，或找到通向未來(lái)的捷徑？我們最終能否利用自然規(guī)律成為掌控時(shí)間的主人？
在科學(xué)界，時(shí)間旅行一度被認(rèn)為是歪理邪說(shuō)。過去因?yàn)閾?dān)心有人會(huì)把怪人的標(biāo)簽貼在自己身上，我對(duì)這個(gè)問題常常避而不談。但現(xiàn)在，我不再那么謹(jǐn)小慎微了。事實(shí)上，我更像是建造了巨石陣的那些人。我對(duì)時(shí)間癡迷已久，如果有一臺(tái)時(shí)間機(jī)器，我會(huì)去拜訪風(fēng)華正茂的瑪麗蓮·夢(mèng)露，或是造訪將望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)向宇宙的伽利略?；蛟S，我還會(huì)走到宇宙的盡頭，破解整個(gè)宇宙湮滅之謎。
為了讓這一切從虛幻變成現(xiàn)實(shí)，我們應(yīng)以物理學(xué)家的角度來(lái)重新審視時(shí)間——即第四維。這個(gè)問題沒有聽上去那么晦澀難懂。每個(gè)好學(xué)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(zhǎng)度。此外，還有一種長(zhǎng)度——時(shí)間的長(zhǎng)度。例如，雖然一個(gè)人可能活了80歲，但巨石陣的石頭卻數(shù)千年屹立不倒。太陽(yáng)系的運(yùn)行將持續(xù)數(shù)十億年。
一切物體都有時(shí)間以及空間的長(zhǎng)度。時(shí)間旅行意味著我們要經(jīng)過第四維。要想搞明白這一點(diǎn)，我們可以想象正在從事一種日?；顒?dòng)，比如開車。開車沿直線行駛，是在一維中旅行。向左轉(zhuǎn)或是向右轉(zhuǎn)，則是二維旅行。驅(qū)車上下山路意味著又多增加了高度，所以是在三維空間內(nèi)。那么我們?cè)鯓硬拍軐?shí)現(xiàn)時(shí)間旅行？怎樣才能發(fā)現(xiàn)穿越第四維的通道呢？
無(wú)處不在的“蟲洞”
讓我們暫時(shí)從科幻電影中尋找答案吧。在此類電影中，通常會(huì)有一臺(tái)巨大而高能耗的時(shí)間機(jī)器，這臺(tái)機(jī)器產(chǎn)生通往第四維的通道——“時(shí)光隧道”。時(shí)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準(zhǔn)備，然后走進(jìn)時(shí)光隧道，來(lái)到一個(gè)他們想要到達(dá)的時(shí)間里。這一概念可能有些牽強(qiáng)，事實(shí)可能與之存在著天壤之別，但該想法本身不是那么的瘋狂。
物理學(xué)家們也在思考時(shí)光隧道，但我們的角度不同。我們想搞清過去或未來(lái)的通道是否存在于自然規(guī)律中。事實(shí)證明，我們認(rèn)為確實(shí)是這樣的。而且，我們還給它們起了一個(gè)名字：蟲洞。其實(shí)，蟲洞無(wú)處不在，只是因?yàn)樘。覀內(nèi)庋劭床坏搅T了。蟲洞非常小，存在于時(shí)空的隱蔽處和縫隙里。你或許認(rèn)為這是一個(gè)難以理解的概念，請(qǐng)耐心聽我繼續(xù)解釋吧。
任何物質(zhì)都不是平整無(wú)暇和實(shí)心的，如果仔細(xì)觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們上面都存在小孔和裂縫，這是一個(gè)基本的物理原理，同樣適用于時(shí)間。即便是像臺(tái)球一樣的東西，上面也有裂縫、褶皺或空洞。現(xiàn)在容易說(shuō)明這種情況也存在于第一個(gè)三維中。相信我，這一原理同樣適用于第四維。時(shí)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(lái)到一個(gè)稱為量子泡沫(quantum foam)的地方，這是蟲洞存在之處。
時(shí)空中的微小隧道或捷徑不停地在這個(gè)量子世界中形成、消失和重新形成。它們可以連接兩個(gè)隔離的空間以及兩個(gè)不同的時(shí)間。不幸的是，現(xiàn)實(shí)生活中這種時(shí)光隧道非常狹小，即使發(fā)現(xiàn)了它們，我們也不能從這個(gè)縫隙穿過——可這正是“蟲洞時(shí)間機(jī)器”概念的前進(jìn)方向。部分科學(xué)家認(rèn)為，或許有一天捕捉到一個(gè)蟲洞，將它放大數(shù)萬(wàn)億倍，令其足夠的大，能讓人甚至飛船進(jìn)入。
如果我們擁有足夠的能量和先進(jìn)的技術(shù)，將來(lái)或許甚至能在太空中建造一個(gè)巨型蟲洞。我并不是說(shuō)一定可以做到，但如果真的有這種裝置，那么確實(shí)很了不起。一端在地球的附近，另一端則在遙遠(yuǎn)的星球附近。從理論上講，蟲洞或時(shí)光隧道不僅僅能把我們帶到別的星球。如果兩端在同一個(gè)地方，且由時(shí)間而非距離分離，在遙遠(yuǎn)的過去，飛船就能在地球附近自由出入?；蛟S恐龍會(huì)看到飛船登陸的場(chǎng)景。
“瘋狂科學(xué)家”悖論
如今，我意識(shí)到以四維方式思考并不容易，蟲洞是一個(gè)令你絞盡腦汁的概念。我一直想做一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，揭示人類通過蟲洞的時(shí)間旅行是否可行，或是現(xiàn)在，或是未來(lái)，我喜歡簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)和成功后的香檳酒。所以，我將自己最喜歡的兩件事情結(jié)合起來(lái)，探討時(shí)間旅行是否可行。讓我們?cè)O(shè)想一下這樣的場(chǎng)景，我參加一個(gè)為未來(lái)旅行者舉辦的歡迎宴會(huì)。
由于出現(xiàn)意外，我沒有讓別人知道，直至歡迎宴會(huì)結(jié)束以后。我寫好了邀請(qǐng)函，注明了準(zhǔn)確的時(shí)間和空間坐標(biāo)。我希望它能以這樣或那樣的形式存在數(shù)千年?；蛟S，未來(lái)一天有人會(huì)發(fā)現(xiàn)邀請(qǐng)函上的信息，利用蟲洞時(shí)間機(jī)器回到我的宴會(huì)，證明時(shí)間旅行將來(lái)是可行的。
與此同時(shí)，時(shí)間旅行貴賓應(yīng)該隨時(shí)會(huì)降臨，五個(gè)或一個(gè)。但就在我說(shuō)話的工夫，仍沒有人到來(lái)，真是慚愧。我希望至少未來(lái)的“環(huán)球小姐”能踏進(jìn)這扇門。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)為何不奏效？一個(gè)原因可能是回到過去的時(shí)間旅行所存在的問題——我們稱之為悖論，一個(gè)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(gè)新的簡(jiǎn)化版本——“瘋狂科學(xué)家”悖論。我不喜歡一些電影中科學(xué)家被描述成瘋狂的群體，但在這種情況下，確實(shí)如此。這個(gè)家伙決心建立一個(gè)悖論，即便付出生命代價(jià)在所不惜。可以想見，他是在建造蟲洞——僅需一分鐘就來(lái)到過去的時(shí)光隧道。通過蟲洞，這位科學(xué)家可以看到他一分鐘以前的自我。
如果這位科學(xué)家利用蟲洞向以前的自我開槍，會(huì)發(fā)生什么事情？他現(xiàn)在已經(jīng)一命嗚呼。那又是誰(shuí)開的槍呢？這便是一個(gè)悖論，聽上去毫無(wú)意義。但這卻是那種讓宇宙學(xué)家做噩夢(mèng)的狀況。這種時(shí)間機(jī)器會(huì)違反整個(gè)宇宙所遵循的基本規(guī)則。我認(rèn)為一切皆有可能。如果真是如此，那么就沒有任何辦法阻止整個(gè)宇宙陷入混亂。所以，我認(rèn)為有些事情總會(huì)發(fā)生以阻止這種悖論。
探索通向未來(lái)的“鑰匙”
在某種程度上，這或許是科學(xué)家永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)現(xiàn)他面臨向自己開槍境地的原因。在這種情況下，我只能遺憾地告訴大家，蟲洞本身就是一個(gè)問題。最后，我認(rèn)為像這樣的蟲洞不能存在，原因就是反饋。如果你有到搖滾演唱會(huì)現(xiàn)場(chǎng)觀看演出的經(jīng)歷，你可能會(huì)辨別出這種尖利的噪音。這就是反饋，引起反饋的原因很簡(jiǎn)單。聲音進(jìn)入麥克風(fēng)，通過電線傳播，經(jīng)由擴(kuò)音器令聲音放大，在一個(gè)環(huán)狀物內(nèi)繞來(lái)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(tǒng)。
蟲洞也會(huì)遇到這種問題，只不過聲音換成了輻射。一旦蟲洞變大，大自然的輻射物會(huì)進(jìn)入，最終形成一個(gè)環(huán)路。反饋?zhàn)兊萌绱藦?qiáng)勁，最終摧毀蟲洞。雖然微型蟲洞確實(shí)存在，也有可能在某一天不斷膨脹，但持續(xù)時(shí)間不會(huì)太長(zhǎng)久，所以不能當(dāng)作時(shí)間機(jī)器使用。這是沒人能及時(shí)回到我晚會(huì)的真正原因。任何通過蟲洞和其他方式回到過去的時(shí)間旅行或許都是不可能的，否則，悖論就會(huì)出現(xiàn)。
因此，遺憾的是，回到過去的時(shí)間旅行應(yīng)該永遠(yuǎn)不會(huì)上演。對(duì)于尋找恐龍的人來(lái)說(shuō)，這會(huì)令他們大失所望，但對(duì)于歷史學(xué)家而言，他們可以徹底解脫了。故事到此并未結(jié)束。這并沒有使所有的時(shí)間旅行不可行。我確實(shí)對(duì)時(shí)間旅行深信不疑，對(duì)通向未來(lái)的時(shí)間旅行更是如此。時(shí)間就像河流，我們每一個(gè)人仿佛被時(shí)光的流動(dòng)無(wú)情地卷走，只不過時(shí)光是另一種形式的河流——以不同速度、在不同地點(diǎn)流動(dòng)，這是通向未來(lái)的“鑰匙”。
一百多年前，愛因斯坦最早提出了這一概念。他認(rèn)為，世上應(yīng)該存在讓時(shí)間慢下來(lái)的地方，以及讓時(shí)間加速的地方。他絕對(duì)是正確的，證據(jù)恰恰就在我們的頭頂。這便是全球定位系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱GPS。一個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)正在地球周圍軌道運(yùn)行，它們使得衛(wèi)星導(dǎo)航成為可能，同時(shí)還表明時(shí)間在太空的運(yùn)行速度快于在地球上。每一艘太空飛船內(nèi)部都是一臺(tái)運(yùn)行精確的鐘表。雖然如此精確，但每天仍會(huì)快十億分之一秒左右。
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)必須為此做出矯正，否則，微小的差異就會(huì)擾亂整個(gè)系統(tǒng)，令地球上所有的全球定位系統(tǒng)每天都會(huì)出現(xiàn)大約6英里(約合9.7公里)的誤差。你可以想象由此造成的后果。鐘表并不存在這樣的問題，走得快是因?yàn)闀r(shí)間在太空比在地球運(yùn)行快。造成這種非同尋常影響的原因是地球的質(zhì)量。愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)會(huì)減緩時(shí)間運(yùn)行速度，就像是河的下游一樣。物體越重，對(duì)時(shí)間的阻力越大。這種驚人的事實(shí)為通向未來(lái)的時(shí)間旅行開啟了大門。
引力無(wú)窮的超大質(zhì)量黑洞
恰恰在銀河系中心，距離地球2.6萬(wàn)光年遠(yuǎn)的地方，擁有銀河系中最重的天體——一個(gè)質(zhì)量相當(dāng)于四百萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)的超大質(zhì)量黑洞，在自身引力作用下，它被壓縮為一個(gè)點(diǎn)。距離這個(gè)超大質(zhì)量黑洞越近，遭遇的引力就越強(qiáng)。一旦距離其過近，連光線都無(wú)法逃脫，會(huì)被吞噬。這樣的超大質(zhì)量黑洞對(duì)時(shí)間具有顯著的影響，令其減緩的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過銀河系中的任何物體。這使得它是臺(tái)“天生的時(shí)間機(jī)器”。
我喜歡想象宇宙飛船如何能充分利用這種現(xiàn)象。如果某個(gè)航天機(jī)構(gòu)正在控制從地球發(fā)射的探測(cè)器，他們會(huì)發(fā)現(xiàn)繞軌道運(yùn)行一圈的時(shí)間為16分鐘。對(duì)于飛船上的勇敢者來(lái)說(shuō)，靠近這個(gè)超大質(zhì)量物體，時(shí)間就會(huì)慢下來(lái)。在這里，引力影響遠(yuǎn)比地球引力極端。機(jī)組人員的時(shí)間將會(huì)減慢一半。對(duì)于原本每圈要耗費(fèi)的16分鐘，他們其實(shí)僅經(jīng)歷了8分鐘。
想象一下，當(dāng)飛船及機(jī)組人員繞這個(gè)黑洞運(yùn)行五年時(shí)，別的地方已經(jīng)過去了十年。當(dāng)他們回到家鄉(xiāng)，地球上的人比他們老了五歲。所以，超大質(zhì)量黑洞就是一臺(tái)時(shí)間機(jī)器，當(dāng)然，這還不是非常的實(shí)用。超大質(zhì)量黑洞之所以比蟲洞更有優(yōu)勢(shì)，是因?yàn)椴粫?huì)激發(fā)悖論。此外，它不會(huì)因反饋?zhàn)呱献晕覛缰贰?/DIV>
然而，通向未來(lái)之旅并非一路坦途。地球距離未來(lái)世界漫長(zhǎng)無(wú)邊，讓我們距離未來(lái)非常遙遠(yuǎn)。幸運(yùn)的是，我們還有另一種時(shí)間旅行方式，這也是我們建造貨真價(jià)實(shí)的時(shí)間機(jī)器最后、也是最大的希望。旅行速度必須超級(jí)快，甚至比避免被吸進(jìn)黑洞所需要的速度還快。這是因另一個(gè)涉及宇宙的奇怪事實(shí)所致。宇宙中存在著速度限制，即每秒鐘18.6萬(wàn)英里(約合30萬(wàn)公里)，亦稱光速。
任何物體不能超越這一速度。這也是科學(xué)界最成熟的理論原則之一。無(wú)論是否相信，以接近于光速的速度旅行可以將你送達(dá)未來(lái)世界。要想理解這一點(diǎn)，我們可以想象一個(gè)具有科幻色彩的交通系統(tǒng)——一條遍布地球周圍的軌道，為超高速火車準(zhǔn)備的軌道。我們將利用這列想象出來(lái)的火車，盡可能地接近于光速，看它如何變成一臺(tái)時(shí)間機(jī)器。列車上的乘客購(gòu)買了通向未來(lái)的單程車票?；疖囬_始加速，越來(lái)越快，不久開始繞地球一圈圈運(yùn)行。
如何突破速度限制
達(dá)到光速意味著繞地球運(yùn)行速度要飛快，比如每秒鐘繞7圈。不過，無(wú)論這列火車的動(dòng)力有多強(qiáng)勁，它永遠(yuǎn)也無(wú)法到達(dá)光速，因?yàn)槲锢韺W(xué)原理令其做不到這一點(diǎn)。假設(shè)它接近光速，距離這一終極速度還有一點(diǎn)距離?，F(xiàn)在非同尋常的事情發(fā)生了。列車上的時(shí)間相對(duì)于地球開始減緩，就如同靠近超大質(zhì)量黑洞一樣，而且有過之而無(wú)不及。列車上一切物體的活動(dòng)都變慢。這是為了保護(hù)速度限制，原因并不難理解。
想象一個(gè)孩子跑向迎面而來(lái)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(guī)律會(huì)令列車上的時(shí)間減緩，使得這一幕永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生。這個(gè)孩子跑得再快，也不能打破速度限制。時(shí)間總是會(huì)減慢，足以“保護(hù)”速度限制。這一事實(shí)源于耗費(fèi)多年踏上未來(lái)之路的可能性。
想象一下這樣的場(chǎng)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(lái)。此時(shí)，乘客們?cè)谑郎系臅r(shí)間也只剩下一周，因?yàn)樯碓诨疖嚿?，時(shí)間過得非常慢。當(dāng)他們離開火車，會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)完全不同于車上環(huán)境的世界。在一周內(nèi)，他們已經(jīng)在通向未來(lái)的道路上前進(jìn)了100年。
當(dāng)然，建造一列能達(dá)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(jīng)在位于瑞士日內(nèi)瓦的世界最大的粒子加速器——大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)——建造了這樣的裝置。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)位于瑞士和法國(guó)交界地下100米深處一條總長(zhǎng)16英里(約合25.75公里)的環(huán)形隧道內(nèi)，一旦開足馬力，這臺(tái)對(duì)撞機(jī)能在瞬間從零加速至每小時(shí)6萬(wàn)英里(約合每小時(shí)9.7萬(wàn)公里)。
令動(dòng)力和粒子的速度變得越來(lái)越快，直至它們能以每秒1.1萬(wàn)圈的速度繞隧道運(yùn)行，這時(shí)，速度將接近于光速。但是，就像是上面描述的那列火車一樣，它們永遠(yuǎn)無(wú)法到達(dá)這一終極速度，最快只能達(dá)到光速的99.99%。發(fā)生這種情況的時(shí)候，進(jìn)行時(shí)間旅行是不切合實(shí)際的。由于一種稱為兀介子的“短命”粒子，使我們了解了這一點(diǎn)。通常情況下，兀介子會(huì)在250億分之一秒內(nèi)分解。當(dāng)它們被加速至接近光速時(shí)，壽命是以前的30倍。
“天上一日，地下一年”
情況的確就那么簡(jiǎn)單，如果我們想踏上未來(lái)之旅，那么速度必須快。我認(rèn)為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的唯一途徑是進(jìn)入太空。在人類歷史上，速度最快的載人飛船 “阿波羅”10號(hào)，速度為每小時(shí)2.5萬(wàn)英里(約合每小時(shí)4萬(wàn)公里)，但要實(shí)現(xiàn)在時(shí)間中旅行，我們的速度必須是“阿波羅”10號(hào)速度的2000倍。按照這種思路，我們應(yīng)該先制造一個(gè)巨大的飛船，里面可以裝載著巨量燃料，令其加速至接近于光速，在全負(fù)荷動(dòng)力運(yùn)行下，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)仍需要六年時(shí)間。
由于飛船如此的龐大和沉重，最初的加速度相對(duì)平緩。隨著時(shí)間的推移，飛船速度非常快，不久即覆蓋廣大區(qū)域。一年以后，我們到達(dá)了系外行星。兩年后，它的速度將達(dá)到光速的一半，距離太陽(yáng)系越來(lái)越遙遠(yuǎn)，再過兩年它可能會(huì)已經(jīng)達(dá)到光速的90%。在發(fā)射四年后，飛船距離地球30萬(wàn)億英里(約合4.8萬(wàn)億公里)遠(yuǎn)，這意味著飛船將開始時(shí)間旅行，屆時(shí)，它的速度接近于光速，在船上呆一天，相當(dāng)于在地球上呆兩天。
再經(jīng)過另外兩年全負(fù)荷動(dòng)力飛行，飛船將到達(dá)其最高速度——相當(dāng)于光速的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(shí)間。飛船確實(shí)“飛進(jìn)”了未來(lái)。時(shí)間變慢還有另一個(gè)優(yōu)勢(shì)，從理論上講，這意味著我們一生當(dāng)中可以跨越無(wú)盡的距離。探索銀河系邊緣之旅將耗費(fèi)80年的時(shí)間。
然而，未來(lái)之旅真正驚奇之處在于，揭示整個(gè)宇宙有多么的奇特。在宇宙中，不同的地點(diǎn)，時(shí)間運(yùn)行的速度不同；微小的蟲洞存在于我們周圍每一個(gè)角落；最終，我們將利用掌握的物理學(xué)知識(shí)，成為穿越第四維的真正宇宙旅行者。
