如何建造時光機？回到未來，到底可不可能？

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回到未來，到底可不可能？
撰文／戴維斯（Paul Davis，雪梨麥覺理大學澳洲天文生物學中心理論物理學家）
翻譯／陳義裕（美國加州理工學院物理博士、台灣大學物理系教授）

時光旅行，可能嗎？

自從威爾斯在1895年寫下《時光機器》這部膾炙人口的小說後，時光旅行就一直是科幻小說的流行主題。可是這真的造得出來嗎？我們真能造部機器把人傳送到過去或未來嗎？

在過去數十年中，時光旅行一直是和科學殿堂沾不上邊的，但近年來，這個話題已經開始在理論物理學家間發酵，其動機一部分是好玩，想一想時光旅行其實是蠻有趣的，但此研究也有它嚴肅的一面。了解因果關係，對於創製一統的物理理論是個關鍵。如果不受限的時光旅行竟成可能，甚或只是原理上行得通，則此一統理論的本質也會受到徹底的影響。

我們對時間的最佳認識是從愛因斯坦的相對論而來。在相對論問世前，一般認為時間是既絕對又普適，不論所處物理環境為何，它對每個人都一樣。在其狹義相對論中，愛因斯坦倡議，我們測到的兩個事件的時間間隔，會取決於觀察者如何運動。重要的一點是，做不同運動的兩位觀察者感受同樣兩個事件，這兩事件間流逝的時間並不相同。



相對論中的「時差」

這個效應通常是利用「孿生子佯謬」（twin paradox）來敘述。假設莎莉和山姆是孿生子。莎莉登上一艘火箭船以高速駛往鄰近的恆星，調個頭，然後飛回地球，而山姆則始終留守家園。就莎莉而言，這趟旅程也許耗時一年，可是當她回來踏出太空船時，會發現地球上已歷經10年了。她的兄弟已經比她老了九歲。莎莉和山姆這下就不再同歲數，雖然他們是同一天生的。這例子可說明其中一類有限制的時光旅行，實際上，莎莉已躍入九年後地球的未來。

每當兩個觀察者之間有相對運動時，這個叫作「時間膨脹」（time dilation）的效應就會發生。但在日常生活中，我們不會感受到這種奇異的時間扭曲，這是因為此效應只在運動接近光速時才顯著。就以飛機的速度來算，時間膨脹在一般的飛航旅程中也只有數奈秒而已，比起威爾斯那類的歷險來，根本是小巫見大巫了。然而，原子鐘的精準度確實能記錄這個時間差，並驗證時間真的會因運動而拉長。所以，到未來旅行是個已經證實的事情，雖然到目前為止，這麼小的量實在沒什麼好令人興奮的。

想看到真正顯著的時間扭曲，我們就必須突破日常經驗的藩籬。次原子粒子在大型加速器中便可推進到幾近光速，而當中的一部分粒子就有內在的鐘，例如緲子，因為它們有固定的半衰期。我們發現，加速器內快速運動的緲子的確是以慢動作在衰變，就如愛因斯坦理論所預言。某些宇宙射線也會經歷到很驚人的時間扭曲，這些粒子的運動速度太接近光速，以致從它們的觀點來看時，穿過宇宙只花了數分鐘，但是從地球的參考坐標系來看，它們似乎花了數萬年才辦到。如果時間扭曲沒發生，這些粒子早就會因衰變而永無到達之日。


建造蠹孔時光機器的三個步驟（不怎麼容易喔）

1.尋找或製造一個蠹孔︰這是連接空間中兩地點的一種隧道。大的蠹孔也許自然存在於太空深處，是大霹靂的遺跡。要不然我們就只好拿次原子蠹孔來充數。它們可能自然存在（有人說它們就在你我周遭不斷冒出又消失），或是人造的（譬如此處所想像，由粒子加速器製造）。這些小蠹孔必須放大到有用的大小，譬如用上類似大霹靂後讓空間膨脹的能量場。



2.使蠹孔穩定︰注入負能量，譬如利用開斯米效應（Casimir effect）等量子方式，使訊號或物體得以安全穿越蠹孔。蠹孔傾向於擠壓成一個密度無窮大或近乎無窮大的點，而負能量可對抗這個趨勢；換言之，它會避免蠹孔變成黑洞。


3.拖曳蠹孔︰假設有一艘具有高度先進科技的太空船，會將蠹孔的兩個口分開。其中一個開口或許可置放於中子星表面附近。中子星是極度緻密、有強大重力場的星球，此強重力場會使時間過得慢多了。由於時間在蠹孔的另一開口處過得較快，此兩開口便在空間及時間上都被分開來了。



速度是讓時間往前跳的一個辦法，而重力是另一個辦法。在愛因斯坦的廣義相對論中，他預言了重力會讓時間變慢。時鐘在閣樓上會比在地下室中走得稍快些，因為地下室較接近地心，所以是在比較強的重力場中。同理，時鐘在太空中跑得比在地面上快。再一次地，該效應是極其微小的，但我們已運用準確的時鐘直接測量到了。事實上，這些時間扭曲效應在全球定位系統中都必須計入，否則水手、計程車司機及巡弋飛彈會發現自己竟偏離路線許多公里。

在中子星表面，重力場強到會讓時間比地球時間延遲了30%。從這種星球看到我們這裡發生的事件，就像把錄影帶往前快轉一樣。黑洞更是時間扭曲的極端範例：在它的表面上，時間相對於地球而言是靜止不動的，這表示如果你從黑洞旁邊掉進去的話，則在你到達表面的那一小段時間內，外面的宇宙就已經歷了滄海桑田的永恆。所以自外界看來，黑洞附近的區域簡直是時間的化外之地，因此，如果有位太空人可以貼近黑洞再折回而毫髮無傷的話（我得說，這是很唐吉訶德式的英勇舉動），那他應可躍入遠遠的未來。



旋得暈頭轉向

截至目前，我只談論了往未來旅行。那往過去又如何？這問題就大了。1948年，美國新澤西州普林斯頓高等研究院的哥德爾（Kurt Godel），造出了一個愛因斯坦重力場方程式的解，用來描述旋轉的宇宙。在這個宇宙裡，太空人可經由在空間中旅行而回到他自己的過去，此乃肇因於重力對於光的影響。宇宙的轉動會拖著光線（也就包括了物體彼此之間的因果關係）一起走，使得物質實體可以在空間及時間中都循著一條封閉曲線運動，而且在這粒子附近，全程都不會超過光速。哥德爾的解在當時只被視為好玩的數學遊戲，沒有人認真看待，畢竟經由觀測顯示，宇宙並無半點整體在旋轉的跡象。不過他的結果仍然證明，時光倒流並非為相對論所禁止的。事實上呢，愛因斯坦還承認，他曾被自己的理論在特定情況下可能允許時光倒流這想法所苦哩！

接著也發現別種「旅行到過去」的方式，例如1974年在美國杜蘭大學的提普勒（Frank J. Tipler）就曾做過計算，一個質量很大、無限長的圓柱體，若沿著軸心以接近光速自轉，便可讓太空人造訪他自己的過去；同樣的，這也是拖著光線繞著軸，以封閉曲線運動。1991年，美國普林斯頓大學的戈特（Richard Gott）則預測，宇宙弦（宇宙學家認為這種結構是在大霹靂初期形成）可以造成相似的結果。但是在1980年代中期，製造時光機器最實際的方法業已出現，那就是利用蠹孔（wormhole）這個概念。

在科幻小說裡，蠹孔有時候也叫「星際閘門」，因為它們為空間中相距甚遠的兩點之間提供了一條捷徑。跳進這麼一個假設中的蠹孔，你也許能在瞬間後從星系的另一頭出現。蠹孔可以很自然地符合廣義相對論，正由於重力既會扭曲時間，對空間亦然。這個理論就好像我們可以在兩點間另闢蹊徑，或是挖鑿隧道使之相連一樣；數學家把這種情形稱作「多連通空間」（multiply connected space）。正如貫穿山丘的隧道會比繞山而行的道路要短，一個蠹孔也可能會比平常空間中的一般路徑短。

在1985年薩根（Carl Sagan）所寫的小說《接觸未來》之中，蠹孔也擔綱一種假想裝置的角色。受到薩根的激勵，美國加州理工學院的索恩（Kip S. Thorne）與他的夥伴，決定要找出蠹孔是否和已知的物理學相符。他們的出發點是，蠹孔應與黑洞相似，都是有著駭人重力的物體，但與只提供單行道卻到不了任何地方的黑洞不一樣的是，蠹孔除了有個入口之外，還會有個出口。



置身於迴圈之內

要使蠹孔可以通行，它就得包含索恩稱之為「奇異物質」的東西。簡單說，這是一種能產生反重力的東西，從而能抗衡巨大質量系統會因自身重量而內爆成黑洞的自然趨勢。反重力（或稱重力排斥）可藉由負能量或負壓力而產生，我們已知負能量狀態可在若干量子系統內存在，這表示索恩的奇異物質並未被物理定律所排除，雖然我們也不清楚是否可以集結夠多的反重力物質來保持蠹孔的穩定。

很快地，索恩與他的同事便體認到：一旦可以製造出穩定的蠹孔，那它就可以很容易轉變成一部時光機器。一位穿越蠹孔的太空人，也許不只是在宇宙的某個地方出現，他還可以在某個時刻出現，而這「某時」可以是未來，或是過去。

要改造蠹孔以進行時光之旅，可以把它的一個開口拖往中子星，並安放在其表面附近。中子星的重力會使蠹孔開口處的時間減慢，這樣就會使蠹孔兩端的時間差逐漸累加。如果我們接著把兩個開口安置在適宜的空間位置上，這個時間差就會凍結住。

假設此時間差是10年，一位單向穿越此蠹孔的太空人就會躍入10年後的未來，而逆向穿越的太空人就會躍入10年前的過去。只要這第二位太空人以高速經由平常的空間返回出發點，則他的確有可能於尚未出發前便返回家園。換句話說，空間中的一條迴圈也有可能成為時間的迴圈。唯一的限制是：太空人不可能回到蠹孔首度製造出來之前的時間點。

要製造一台蠹孔時光機器所面臨的最大難題，就是要先製造一個蠹孔。也許空間早就自然地為這些結構所纏繞，因為它們是大霹靂的遺跡；果真如此，或許已經有某個超文明可以駕馭它。另一種可能性則是，蠹孔可能在普朗克長度（約10-33公分）這種極微的尺度下自然存在，這可是只有原子核的1/1020那麼小。理論上，這麼小的蠹孔，只需要一束能量脈衝便可將之穩住，接著便可將它膨脹到可資使用的大小。





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