爱因斯坦有一个预言未实现,科学家却不希望它实现,为什么呢?
不少近现代物理学家都曾对现实进行过预言,诸如牛顿、爱因斯坦、霍金等。这其中 最经典的人物 可能要当数 爱因斯坦 ,几乎在任何一个有关现代物理学和部分天文学研究中 都能看见爱因斯坦的影子 ,爱因斯坦真的这么厉害吗?
事实上,爱因斯坦不仅厉害,后续一半的物理研究都是基于爱因斯坦的成果 逐步进行发展 。最经典的便是 广义相对论 了,广义相对论下的时空研究给人们带来了新的思考方向,同时 打破了牛顿的绝对时空观 。甚至从侧面推动了量子力学的发展, 爱因斯坦与 玻尔 的竞争 也促进了物理学的各方面研究。
关于他的科学预言在当时并不被所有人看好, 直到今天人们才 知道爱因斯坦的伟大。 引力波、红移、时空扭曲 等等都曾是爱因斯坦基于广义相对论下的预言。不过还有一则预言也是关于时空的。
这则预言具体说了什么?它是否能够像其他科学预言一样成为现实呢?时空预言下的宇宙会是什么样子?本文接下来将从闭合类时曲线、时间旅行下的量子力学、热力学、广义相对论这几个方面来解答这些问题,为什么科学家不希望这个还未实现的预言成为现实?
这则预言整体来看是 基于广义相对论 的研究得到的,严格来讲是爱因斯坦提及到了 时空穿梭 的可能性,也便是后来我们所说的时间旅行。
广义相对论下的时空背景和相对时间坐标表明,不同速度下,不同时空下的物体,它所面临的时间 是不一样的 。简单来讲就是 时间的流逝感受 ,但什么是时间?
我们可以从 热力学定律 这个方向来解释,热力学定律揭示了物体能量、热量的转移。这种运动变化让我们可以 通过物体的能量流失 感受到时间,在热力学下,所有物体的运动都可以表现为一种 热量流失 。
比如说 逐渐熄灭的炭火 ,人们通过对炭火的热量流失感觉到事物的运动变化,这种变化让我们可以理解到 过去和现在的差异 。这种差异后来我们称作为 时间 ,在牛顿的绝对时空下,这种变化是固定的。
但爱因斯坦的广义相对论却揭示了这其中的不同关系,实际上物体的时间变化 并不是绝对不变 , 速度 是影响时间变化的关键。在相对时空的前提下,我们都知道速度越快,物体的时间流逝得越慢。随着物体的速度逐渐接近光速,它的时间便会越来越慢,当物体 拥有光速时 ,时间便会 静止 。关于广义相对论的研究,科学家们认为时间旅行也许存在某种可能。
不过这里需要肯定的一点是,物体的运动 不可能超光速 ,因为越接近光速所需要的能量就越大,成为光速需 要无限的能量 ,因此超光速不存在,物体也不可能达到光速,只有不断接近光速。只有光子这样拥有静态质量的物质才能进行光速运动,不过这种运动实际上 是一种信息传递 。
后来爱因斯坦与玻尔的量子力学争论中也在批评玻尔提到的 量子纠缠 ,因为这种超距传递能够存在类似超光速的运动。量子纠缠由于不可预知和不可观测性导致,量子纠缠 不能合理地解释 物体这种超光速运动。
基于 广义相对论 的研究,科学家认为想要解释这种可能存在的时间旅行需要量子力学的帮助,并在“ 闭合类时曲线 ”中扎到密度状态的时间演化方程。因为在量子力学中,自洽解存在于所有 时间机器配置和初始条件中 。那么什么时闭合类时曲线(CTC)呢?
实际上这是在数学物理学中的一种表现形式,它是 洛伦兹流形中的世界线 ,是时空中的“闭合”物质粒子,并能返回其起点。如果CTC存在,那它们似乎能够 暗示时间倒流的理论可能性 。在闵可夫斯基空间中,物理学家在狭义和广义相对论中,拟定了 单个事件 发出并向各个方向传播的闪光穿过时空的路径,并将其称作为 光锥 。
(上光锥同时包含其他空间位置,不包含x=0在未来的时间,包括 更早的时间 ;下光锥则是平面空间光锥特征,它包含的所有时空坐标都有 较晚的时间 )
一个光锥代表一个物体在当前状态下任何可能的未来演变,或者在当前位置的情况下 每个可能的位置 。在这个模拟中,一个物体未来可能的位置受到该物体可以移动的速度限制,这个速度的最大限制则是 光速 。
在“时空度量”的演示中,光锥在时间上指向前方,这对应于一个对象 不能同时在两个位置 ,或者它 不能立即移动 到另一个位置的常见情况。而在这些时空中,物理对象的世界线根据广义相对论的定义,它表现在时间上。但这种方向仅适用于“ 局部平坦 ”的时空,如果是其他时空则会出现倾斜变化。
而在 极端的例子中 ,具有适当高曲率度量的时空中,光锥倾斜可以 超过45度 。这意味着潜在的“未来”位置,从对象的参考系来看,这些位置与外部静止框架中的观察者是类似的空间。因此从这个外部观点来看,物体能够在空间中瞬移,并且这种情况物体 必须移动 。
因为它现在的空间位置不会在它自己未来的光锥中,另外,如果有足够的倾斜度,从外部来看,有些事件的位置 处于“过去”中 。通过它对自己的空间轴适当移动,那么物体 似乎穿越了 从外部看到的事件。
所以,如果能够设置这样的一种光锥便 可以在自身上循环 , 创建闭合 的类似曲线。那么物体就应该 循环移动 ,最终返回到它一开始的地点和时间。但要是物体是以自由落体状态运作,那么可以在这个循环轨道中 反复返回时空的同一点 。
尽管回到原来的时空位置 只是一种可能 ,但该物体未来的光锥可能包括时间前后的时空点,从这个模拟推测中得到的结果便是 可能存在的时间旅行 。但科学家 并不希望 这种可能的模拟出现,这是为什么?
很明显这会开启“ 祖父悖论 ”,祖父悖论的出现导致因果关系彻底混乱, 时空会出现破坏 。CTC的特点在于它开启了一条与更早期无关的世界线可能性,因此无法追朔到更早原因的事件。
一般来讲,因果关系要求时空中的每个事件都在 静止帧中有其原因 ,用广义相对论的研究来讲,决定论在类空间柯西曲面(可以详询 洛伦兹几何 )上陈述了宇宙的完整性。
然而在CTC中由于因果关系被破坏,同一个事件可以与其原因同时发生。换句话说, 一个事件可能会导致其本身出现 。举一个不恰当的例子,如果人在这个循环轨道中出现,那么他可以同时看见自己的 存在和死亡 。
还好,这种可能性非常大的模型不仅科学家不希望它发生,就连目前的物理学 研究也不允许 。熵增揭示了时间是在 向前进行的 ,事物为了维持自身的状态必须存在能量,但这种能量需要热量进行维持,熵的增加表明时间 只能向前不能流动 。这就好比一滴墨水滴入水中 会扩散 ,随着运动状态的不断增加, 墨水最终会和水融合 ,你没办法将它重新复原成初始的那滴墨水。
因此这种可能存在的闭合类世界曲线在当前的宇宙模型里 不存在 。另外随着量子力学的深入,目前CTC模型 被要求不能 违反量子力学的基本规律以及时间反演对称性。尽管通过广义相对论可以得到这种模型的数学结论,基于真实的物理时空场论来讲,它应该 是不存在的 。
很明显,至少以目前的科学研究来看,科学家们并 不希望爱因斯坦的预言实现 。无论我们想利用它做什么,或者仅仅只是 看一眼过去 ,但过去的终究已成 历史 。熵增也在告诉我们,事物运动 应该向前,而不是往后 。从哲学的角度来看,无法改变的过去或许是一种遗憾,但我们更应该 活好当下 。