跑得比光速快,就能回到过去?科学家用黑洞解答“时空旅行”的最新真相

时空旅行,或是穿越,是现在的小说、影剧和电影相当爱用的题材,你是否也常想起小时候看哆啦A梦,时光机穿梭在过去和未来之间的画面?现在科技这么发达,时空旅行何时将能成真?

本文选自《你也被唬弄了吗?20个最容易被误解的科普知识》,作者轨道君(궤도)是年轻的科学知识传播者,毕业于韩国延世大学天文宇宙学系与研究所,他日以继夜地思考新点子,希望可以解惑大众都想知道的事。

行至中年才陷入黄昏之恋的人们,经常会幻想:“年轻时的他,会是什么模样?”我认为,比起从肉体关系衍生出的好奇心,这样的想象层次更高。那段我们失去的以往、来不及与你相遇的时光、还未拥有对方时,你的恋人会以什么面貌、在烦恼什么事情中,渡过他的每一天呢?我脑海中模糊地想起这些,思绪自然而然地飘到了未来,届时的我们又会变成什么样子?

爱因斯坦相对论,是时间旅行的基础?

前往未来的时间旅行非常简单。市面上早已推出,只要打开程序就会带你到未来的时间旅行游戏(一玩起来就让人忘记时间,抬头一看,才发现两个月过去了。如三大恶魔般的时间旅行游戏:《文明帝国系列》、《足球经理系列》、《魔法门之英雄无敌系列》。)。但实际上,这种方法还不足以纳入时间旅行的范畴。倍感魅力的时间旅行,应该由我们操纵时间,但在游戏中却无法这样。举例来说,如果你搭乘时光机到十年后的未来,你的年龄应该与昨天一致。但若是通过这种容易上瘾的电玩前往未来,你仍会遵循大自然法则慢慢老去。

为了实现未来的时间旅行,我们需要爱因斯坦的相对论,他早已提出两种有模有样的方法。像电影和漫画中看到的,以用户为中心的旅行方式,奉劝大家不要过于幻想。自从赫伯特.乔治.威尔斯(Herbert George Wells)在一八九五年,首次将时光机的概念运用在人类身上后,自此已过了一百二十多年,但直到现在,我们还是梦想能“砰!”地一声瞬间消失后,随心所欲地前往任何时空。然而现实是,一旦你消失后,就不能再度出现。

因为在现代物理学中,没有任何方法可以让你消灭之后又重新复活,顶多只能让你周边的时间变慢。除了你之外,外面世界的时间会瞬间消失。如果你真的想试一下,不妨参考下列内容:

1. 依据狭义相对论的原理,如果移动的速度快到接近光速,移动中的人感受到的时间会变慢。

2. 依据广义相对论的原理,若靠近像黑洞重力极强的物体,时间也会变得比较慢。

只要利用上述两种拖延时间的方法,就能前往未来。换句话说,若是高速移动或从黑洞附近返回,时间会变得比别人慢。假设你在宇宙船增至了一年的漫画,再健康地返回地球,你的朋友早就变成大你十岁的老人了。因为在这缓缓流逝的一年内,除了你以外,其他人都在须臾之间渡过了十年的岁月。当然,想接近光速并非易事,而且去到黑洞附近后,也很难保证能安全返回。目前而言,能让年轻的你前往未来的方式,只有这些了。

跑得比光更快,就能回到过去?

与去未来相比,回到过去当然更有趣。因为不管去了多遥远的未来,只会被当作一只傻呼呼的猴子。如果你到了科学极度发达、变成另一番天地的未来世界,或许短时间内会感到神奇,但除此之外,就什么也没有了。因此这里跟你毫无关系,只是另一个触不可及的世界。若是你想改变什么,或得到实质上的好处,唯有回到过去,才是最佳的选择。

可惜的是,要让这个选择变成现实,恐怕不容易。简单点思考,根据狭义相对论的时间膨胀公式,若以接近光的速度奔跑,时间就会愈变愈慢;在跑速到达光速时,时间反而会停止若此时再加快速度,甚至超越光速的话,时间会不会倒流呢?我真是想得太简单了,人跑得再快,也比不上光速。不!应该说,能比光移动更快的物质,本身就不存在(除了未被发现的假想粒子“迅子”〔tachyon〕之外)。

宇宙的四维空间在膨胀或旋转的情况下,或许转得比光速更快(在旋转的黑洞里,偶尔会出现四维空间比光速旋转更快的情况)。但这不算是物质,只能排除在外。即使比光速更快的移动真的存在,时间也不会倒流,只会产生毫无意义的虚数(在时间膨胀公式中,时间变成负数的话,会产生倒流现象)。回到过去与前往未来的时间旅行完全不同,而无法回到过去,也与你的跑步实力毫不相关

DC超人让地球反转,救死去的女友?

地球自转一圈是一天,如果让地球自转速度变慢,这一天就会变得比较漫长,时间流动也会变慢。若把地球反方向转,是不是就能回到过去?DC漫画里的超人也是这样认为。

一九七八年的电影《超人》,超人为了挽救意外死亡的女友,试图让地球反方向转,想借此展开时间旅行。遗憾的是,实际上并不会因为改变地球自转的方向,就能回到过去。就算以接近光的速度绕着地球飞行,在狭义相对论的作用下,只有超人本人的时间会变慢。不过,也许失去心爱的人是令人不舍的事,所以电影的最后,超人还是让时光倒流,回到过去并救回了女友。相反地,却让观众失去学习知识的机会。

话说到这,我已经可以看到,你对回到过去的时间旅行失去信心的样子。现在放弃还为时过早,关于回到过去的方法和理论,学者至今仍锲而不舍地研究。即使无法亲自回到过去,但像偷窥狂一样窥视以往,其实并非难事。对于每天都在观测宇宙的天文学家,这又是习以为常的小事。

你现在看到的宇宙,是过去的画面

换点简单的方式来思考,假设有一个长得像屁股的行星,距离地球有一光年之远,地球的光芒到达屁股行星需花费一年。换句话说,若是你现在朝着屁股行星的方向,脱下裤子跳起《蜡笔小新》里小新的舞蹈,屁股行星上那些长得像屁股的外星人,即使拿起望远镜,也要一年后才看得到你的屁股。

相对地,在距离地球一亿光年以外的某个行星上,外星人若用一台超高性能的望远镜望向地球,看到了地球的“现在”,借着刚才抵达地球的光芒,可以看到白垩纪恐龙正在玩耍的身影。它们会以为现在统治地球的主宰,正是这些悠然自得又巨大无比的家伙吧!至少在这一亿年间,他们都坚信不移。

我们看到的宇宙景象总是过去的画面,愈遥远的地方,愈能看到更久远的以往。连现在洒落在你家窗边的光线,也不是方才诞生的热腾腾光芒,而是大约八分钟前的阳光。虽然时间不能倒流,但只要你跑得比光速快,就可以在过去的光到达前,先占有一席之地。通过以前的光芒,窥探往昔的一切。虽然无法用这个方法,让你找回以前遗失的钱包,却可以看到丢失的瞬间,再看看之后钱包遇到了什么困境。

想回到过去,还是只能靠黑洞了?

接下来,让我们正式回到过去吧!我们能使用的方式只剩下时空扭曲以相对性而言,最方便的途径是利用黑洞。这也意味着,刚才谈到的方法纯属荒诞不经。

黑洞分为多种形态,这里就不提复杂的名词了。要前往时间旅行,我们只要记住以下两种即可。母胎单身黑洞不会旋转,但以情侣模式诞生的黑洞则会旋转。母胎单身黑洞本来有个名字叫做“史瓦西黑洞”(由德国天文学家卡尔.史瓦西(Karl Schwarzschild)发现),听起来很复杂,所以我决定继续称为“母胎单身黑洞”。情侣黑洞则加一个字,称为“大黑洞”(最早在一九六三年,由新西兰科学家罗伊.克尔〔Roy Patrick Kerr〕发现)吧!

仿佛站在险象环生的悬崖边,不小心往前踩了一脚,整个人往下坠;在你一脚进入黑洞附近,有一条宛如生死一瞬间的警戒线──叫做“事件视界”(event horizon)。母胎单身黑洞的事件视界只有一个,大黑洞的事件视界却有两个。即便母胎单身黑洞只有一个事件视界,一旦跨越这个门槛,只有死路一条。就算是开玩笑,若能打开黑洞的门,跨过那条警戒线,之后的一切只能任凭想象了。

我会被黑洞吸进去,还是能成功逃脱?

有趣的事情,要从两扇门(事件世界)的大黑洞说起。理论上,这两扇门分别位于黑洞的外侧和内侧。打开第一扇门走进去,可能没有被疯狂吸入。但打开第二扇门,应该就会出现跟母胎单身黑洞一样的结果─被疯狂吸入。在此之前,介于两扇门之间,会发生趣味十足的事。

就像《哈利波特:消失的密室》,门与门之间的空间是未知的世界。虽然用门来比喻,但你可别以为两者之间的空间,就像卧房与书房间之间的走廊。其实这个空间,反而更接近蛋壳和蛋黄之间的蛋白。借此可以明白一件事,这个立体空间本身是以光速以上的速度快速旋转,就像游乐园的旋转设施,一站上去就头晕目眩。同样地,进入旋转空间的瞬间,就能转得比光速快。即使理论已经告诉我们,你不可能跑得比光速快,这个世界上没有比光速更快的物质。不过让你头昏眼花的四维空间本身就转得比光速快,所以你也在不得已的状况下,移动得比光速快。

假设你站在大黑洞第一扇门前的时间,是地球时间的下午三点。打开门走进去,用比光速更快的速度转了一圈后,出来时,你可能会回到上午十点的以往时空。而且在你进入第一扇门时,若能掌握方向,不是朝第二扇门、而是往黑洞的外侧转去,你可能会获得天大的好运。不但可以回到过去,还不会被黑洞吸进去永远出不来,从此成为黑洞逃脱的幸运儿。

时间旅行、时光机根本不存在吗?

理论增至来似乎行得通,却很难完全同意这种可能。有一派人士主张无法用时间旅行回到过去,他们提出了各种反驳的证据。其中最有力的一项,就是我们至今从未见过未来的旅客。如果在非常遥远的将来,有位天才科学家发明了时光机,他一定会搭乘它回到过去,而我们应该可以在人类史上找到他留下的痕迹。当然,他可能藏得很隐秘,躲起来偷窥,或把所有遇到的人都消除记忆。

不过,以常识来说,这个假设实在太费解。而且我想,科学家也不可能单枪匹马前来。就飞机的例子来看,自从莱特兄弟(Wright brothers)首度飞上天空,每年都有超过一亿名的旅客搭飞机。像时光机器这么令人叹为观止的东西,若没有包装成旅游产品,任谁也不信。而且假设真的有时光机,来自未来的旅客中,难免有比较粗心大意的人会留下什么线索吧?

单一宇宙陷时间悖论,那如果是多重宇宙?

但这个假设是在只有一个宇宙、也就是“单一宇宙”的条件下才能成立。可是单一宇宙却有可能陷入“时间悖论”──这个令人生畏的困境中。举例来说,你突然饿到头昏眼花,煮了一碗方便面来吃。吃完后,觉得方便面实在太美味了,想再吃一碗,又懒得出门买。于是搭上时光机,回到“方便面刚煮好端上桌,自己离开餐桌跑去洗手”的时间点,打算偷偷地吃掉那碗刚煮好的方便面,再回到现在。然而当你回到过去,吃掉方便面的前一刻,那碗方便面就已消失不见。你看似吃了两次方便面,实际上只能吃一次。若是立刻去做胃镜检查,胃里的方便面该是一人份、还是两人份?在单一宇宙的情况下,无法做出明确的答复。因为改变过去的瞬间,就会影响你所在的当下。

科学家用“多重宇宙”的理论解决了这个问题。实际上,宇宙并不是只有一个。即使回到过去,你到达的宇宙与你出发的宇宙长得极相似,事实上却是另一个宇宙。换个角度来看,你并不是回到可以改变你所在之处的过去,而是发生了“未来的你回到过去”的现象。这表示,你到达的地方是另一个未来。无论做了什么改变,对你出发的现在不会造成任何影响。当下消失的只有你这个人本身,时间仍继续流逝。就算你回到过去并遇到父母或朋友,他们也不是你在原本宇宙中认识的人。这个世界上有无限个宇宙,无限的你在无限的世界里,和无限的人们创建了无限的关系。

这里指的时间旅行,意味着你将走向另一个宇宙时空,而非回到你存在的过去。如此一来,可以站在时间旅行者的角度去思考这件事,时间悖论的问题解决了,你吃的方便面自然是两人份。你在原来世界吃的方便面,会随着你一起消失;而你抵达的新世界,吃下肚的方便面也会继续留在肚子里。也就是说,两个宇宙都把方便面送给你了

时光机非万能,无法回到不存在的过去?

不过也有不同看法,有人认为,不能光凭至今没有来自未来的访客这一点,就否决掉时间旅行的可能性美国物理学家罗恩.梅里特(Ronald Mallett,他奉献一生来研究时间旅行)提出假设,把时光机当作一种检查哨,从最初时光机开始运转的那一刻起,即把它当作回到过去的起点。这代表,时光机开始运行之前的过去,是没有时光机的时代;唯有时光机启动后,才是迎来了自由穿梭于时空中的新时代。这么看来,目前为止都看不到未来的旅客,也有道理。因为从未来的角度看,现在我们这个时代,正是他们无法回来的时代。

有趣的是,利用黑洞回到过去的时间旅行,也有相似概念。你能回到的过去,是从黑洞诞生的那一刻起开始算的时间。在黑洞诞生并让时空扭曲之前的时间,是你无法返回的过去。假设现在的时间是下午一点,你通过早上七点才形成的黑洞回到过去,如此一来,虽然你可以回到早上九点,却无法前往更早的凌晨五点。因为从黑洞的角度来看,早上七点以前的四维空间─这个概念本身就不存在。

所谓“时间旅行”,由你来定义

结束脑海中漫长的宇宙之旅,回到你唯一的世界吧!值得庆幸的是,你不必担心为过去或未来的问题,和恋人争吵。总有一天你会遇到心爱的人,与他分享爱,结下爱情的果实,生下漂亮的子女。如此一来,你就可以告诉育儿而疲惫不堪的伴侣,这一段话:

“来不及与你相遇的过去,我迫切想要知道你的过去,谢谢你让我看到这一切。”

通过一个长得与你极为相似的孩子,可以看到你的过去。在养育孩子的过程中,可以回想起早被遗忘的昔日时光,或许这才是真正的时间旅行。最后,祝福大家都能携家带眷,一同走向幸福的未来。