时间机器研究在中国

　　【摘要】：戈德尔、霍金、索恩和戴维斯等研究时间机器的科学家，头脑是清醒的。科学家研究物质存在有向自己内部作运动的空间属性，发现点内和点外几何空间存在虚与实、正与负对应的自然属性。如赛博空间就是一种点内几何空间现象，它联系电脑的虚拟生存；也联系人做梦，可以回到过去见一见自己的老爷爷、老奶奶；到未来看一看自己的重孙子、重孙女，而存在着超光速现象，并且是爱因斯坦的相对论允许的。因此，人是一种时间机器，而关于时空的基本定义和物理学的根基也不会动摇，只是改虚数存在于点内就行。

　　【关键词】：时间机器、索恩标准、戴维斯标准、环量子理论

　　一、索恩标准和戴维斯标准

　　人类乐于梦想，也盼望知晓过去和未来。时间旅行似乎是个最为简便的方法。自从英国作家威尔斯于1895年撰写了他的著名小说《时间机器》以来，时间旅行便成为一个流行的科幻小说主题。但建造一台把人运送到过去或是未来的机器是可能的吗？时间机器的幻想故事能成为现实吗？

　　在爱因斯坦的狭义相对论中，时间不被认为是绝对的和普遍的。爱因斯坦认为：测量两个事件的时间间隔取决于观察者如何运动；因为运动状态不同的两名观察者，对于同样的两个事件将会体验到不同的持续时间。但美国物理学家福特和罗曼认为，爱因斯坦的相对论并没有严格排除快于光速的旅行或“时光隧道”旅行。如果这是一项严肃的研究，那么笔者认为，这也只能是点内的虚数世界。因为如果说点外世界上存在比光还快的粒子，说时间可以倒转的话，那么这样的一个统一理论影响将极为严重。在这一点上，戈德尔、霍金、索恩和戴维斯等研究时间机器的科学家，头脑是清醒的。

　　美国物理学家基普·索恩是相对论的权威。1988年，索恩等三人在美国物理学界最具权威的《物理评论》杂志的快报版《物理评论通讯》上，发表了关于可能实现过去旅行在原理上是可能的观点。其要点是：虽然按照以往的相对论，移动到过去是不可能的，但借助于“虫洞”能使这种行动成为可能；因为在此隧道里进入的时刻与出去的时刻完全相同。他认为在宇宙中存在着的“虫洞”，虽然还不知道它实际上是什么东西，但有人认为它类似从一头进入就会从另一头穿出；当然，这虽说是隧道，如象从黑洞进去从白洞脱出的隧道，但它里面的时间和空间都是极度扭曲的。索恩把隧道的两个口（一方为入口A，另一方就是出口B）作为A和B；这是因量子论观点产生的极其微小的洞口，随着巨大的能量的注入会不断被扩大。洞口附近乃至其中心部，没有任何障碍通行的点（数学上称其为奇点）。假定某人住在B处并使A处开始振动，由于振动是最简单的加速运动，所以A的时间慢于B的时间，渐渐地越差越多。如当B处已是1998年时，A处也许刚到1993年，这时如果有人尽可能快地从外面由B处到A处，他所处的世界转眼就变成了1993年。但是，现在还不能马上说他走进了过去的世界，因为A与B毕竟不是同一个地点（世界），不像拨个电话马上就能通这样的关系，我们必须把B和A看作是不同的世界。根据索恩的理论，来到1993年A处的此人，跳进虫洞A从虫洞B跳出，通过虫洞不需要时间，因此跳进的瞬间也是跳出的瞬间。这样，从洞里出来的他周围与A一样为1993年，地点为出发点B。B正是他的故乡，离开故乡时是1998年，再次出现在故乡时却是1993年，因此他实现了回到过去的旅行。这类似如象唱戏或演电影一样，演员可以克隆古代人和事，舞台和剧本就是时间隧道。

　　索恩说，如果不再使用虫洞A或B之类的提法，而一开始就把静止的B看作地球，把A看作火箭。某人曾在地球上，他发射了无人火箭，火箭可以通过遥控——或者干脆在一开始就把它的舵设计为——加速飞行后再回到地球。假定走时是1988年，回来时地球上是1998年，火箭中是1993年。但是，接下来就不一样了。地球上的人登上归来的火箭，里面是1993年的世界，植物及动物等从出发以来只过了五年，这是多次说过的相对论的结论。如果此人再打开门走下火箭的话，外面仍是1998年的地球，既不有趣也不新鲜。因此，索恩构想了一个模型，按照此模型，火箭与地球（或宇宙的其他地方也无妨）之间不是靠门，而是靠蛀洞连通的。也就是假定火箭内部实际上连着虫洞的一个口而另一个口连着地球（想回到过去的人所静止的地方）。于是，（打开门）进入1993年的火箭的此人，这次不是再打开火箭的门而是通过虫洞出现在地球上。通过虫洞的过程不消耗时间，其出口与入口一样是1993年，结果此人从1998年的地球出发登上火箭、穿过虫洞出现在了1993年的地球上。读者在此也许要问：洞的一头是1993年，另一头是1998年，于是从火箭的1993年一头进入，从另一头出来的话是1993年……这是索恩的结论。那么假如从1998年的地球一头进入，而从火箭里出来的话，那里是什么时刻？是1993年，还是1998年？索恩的答案是：如果从1998年的地球一头进入虫洞的话，将来到1998年的火箭里。出入洞的时刻总是相同的。即使洞的一头被加速，使得出口与入口的时间不一致，入洞时刻就是出洞时刻……这就是虫洞的奇妙之处。这里的所说的时刻应该是指在火箭加速以前相对静止时所测量的时间。

　　这里，索恩并没有讨论物理学界称之的超光速粒子，这就是索恩标准。同样，这也就是戴维斯标准。

　　保罗·戴维斯是澳大利亚享誉世界的理论物理学家,他的科学研究包括黑洞、量子场论、宇宙起源、意识的本质和生命起源等诸多涉及人类和宇宙本源的问题。对于时间机器的制造仍然停留在小说家或电影特技师的手中,他决定尝试制造时间机器，哪怕只是“理论上的制造”。于是他要弄清楚的问题是，你想回到过去还是飞到未来。在戴维斯看来，在时间中到未来旅行是很容易的，如果你接近于光速运动或者身处强大的引力场中，会感到时间流逝得比其他人更缓慢——你进入了他们的未来。飞向未来的旅行又叫“有限时间旅行”。戴维斯在《怎样制造时间机器》的开头非常肯定的提出，“有限时间旅行”是可行的，但回到任何时代的“无限时间旅行”只是“有可能可行”。戴维斯说:“相对论为我们提供了在未来时光中旅行的两种方法。一个直接结果是,以高速进行运动，如果我们有一艘速度达到光速99.99999％的飞船，就可以在6个月内进入公元3000年。”这种旅行是相对论的结果，它与著名的“双生子佯谬”有关。按照这些理论，人们能够以非常接近光速的速度旅行，在这方面没有任何禁区，只是一个成本问题。为了把一个10吨重的负载加速到光速的99.9％，需要使用100亿亿焦耳，这相当于全人类几个月的能源生产总量。进一步接近每秒30万公里速度的成本当然会更高。戴维斯认为，在太空中有取之不尽用之不竭的能源，只要我们去开发它们。但对太空进行必要的技术研究和开发，要做决定，这又实际上成了一个政治问题；另外，以高速系统进行的时间旅行或许只能进入未来却没有办法回来的问题。这是因为时间旅行并不取决于运动的方向，而只取决于它的速度。此外，相对论提供的另一个时间旅行的方法，是爱因斯坦1908年以广义相对论提出来的，这个理论将狭义相对论进行扩展，其中包含了重力对时光产生的多种效应。这种效应在于重力会使时间放慢，而我们也可以验证这一点，比如地球的重力每300年可以让钟表慢1微秒。1976年，物理学家罗伯特·维索特和马丁·列文向太空中发射了一枚载有时钟的火箭，他们观察到这个时钟与放置在地球上同样的时钟相比，多获得了1/10微秒。为了在未来的时光中旅行，只要利用那些强度远高于地球重力的引力场，比如中子星的引力场。中子星是那些在耗尽自身的燃料之后，由于受自身质量的影响而收缩到只相当于原来体积很小一部分的天体，但它们的总体质量仍维持在一个很高的水平；其中一些中子星仅比地球上的一座城市大一点儿，但其质量却超过了太阳。它们自身强大的重力使其原子变成了一堆中子，这种重力作用会产生比地球重力影响要明显得多的时间扭曲：中子星上的7年相当于地球上的10年，因此，只要让我们的飞船到达这样一颗中子星上（比如位于巨蟹星云中的那一颗），就会在未来的时光中迈出一大步。但问题是我们如何能造出一艘能抵抗中子星附近极其恶劣条件的飞船来。在这种情况下，我们同样也无法从未来时光中返航。

　　戴维斯认为，相对论允许在过去的时光中旅行。因为对于广义相对论来说，时空可以被弯曲到与其自身联接的地步，因此可以在时间和空间中创造封闭曲线。并且，第一个勾划出封闭时间曲线的人就是爱因斯坦的朋友、奥地利数学家库尔特·戈德尔。1948年，戈德尔提出了爱因斯坦引力场方程的一个描述旋转宇宙的解。在这个宇宙中，一名宇航员可以在太空中旅行来实现回到过去的目的。这是引力影响了光的结果。宇宙的旋转导致光（因而也包括事物之间的因果联系）被拽住并环绕在它的内部，这使得一个处于封闭环内的实物可以在空间的闭环中移动，同时也在时间的闭环中旅行，而任何时候都不会相对邻近的粒子超光速。戈德尔的解释被当作数学上证明了在时间中逆行并不违背相对论。的确，他在计算相对论中关于引力场的方程式时，发现在空间中可以找到一条通向旋转着的宇宙的螺旋体轨道。

　　这就是说，爱因斯坦的相对论允许时空旅行发生在特定的时空结构里，如一个旋转的宇宙，一个旋转的柱体，以及非常著名的虫洞——一条贯穿空间和时间的隧道。只要能够建造一个稳定的虫洞，就可以跨越时间和空间。但在霍金的《时间简史》里，解释虫洞是连接宇宙遥远区域间的时空细管，它可以把平行的宇宙或者婴儿宇宙连接起来，并提供时间旅行的可能性。而黑洞是时空的一个区域，那里引力是如此之强，以至于任何东西，甚至光都不能从该处逃逸出来。因此，在戴维斯的计划里，建造一个虫洞要分3步：第一步，寻找或建立一个虫洞，开辟一个隧道用来连接太空中两个不同的区域。第二步，使虫洞稳定下来。由量子产生的负能量，虫洞便允许信号和物体安全地穿越它。负能量会抵制虫洞变为密度无穷大或接近无穷大。换句话说，它阻止了虫洞演变成黑洞。第三步是牵引虫洞。一艘具有高度先进技术的太空船将虫洞的入口互相分离开。如果两个端口都放置在空间中合适的地方，那么时间差将保持恒定状态。假设这一差值是10年，一名宇航员从一个方向穿越虫洞，他将跳到10年后的未来，反之，宇航员若是从另一方向穿越虫洞，他将跳到10年前的过去。

　　假如技术上的诸多难题都被克服了，时间机器的生产将会打开充满悖论的潘多拉盒子。但对于此，戴维斯说：“我本人不打算把我描述的时间旅行和其它控制自然的行为区分开来。所有的技术都在以某种方式干预自然。在一些科幻小说里，有人通过回到过去而改变了现状。这种事出现在小说里当然无伤大雅，但如果发生在现实中会带来严重的伦理问题。谁给你回到过去改变历史的权利？”

　　二、人就是一种时间机器

　　人类本来是想要自由地到未来或过去中去，所以才想到时间机器的，想到物理学界称之的超光速粒子；现在美国和中国一些人正进行着寻找超光速的研究。但是，这种奇妙的粒子的能量的平方是负数，用数学表述的话，能量（或质量）是虚数，的确是个难以理解的值。如果把超光速粒子设想为摩尔斯电码，明天的信息就可以在今天获得，这在电脑的赛博空间里并非奇妙的结果。遗憾的是，人类发现虚数以来，分不清它是在点内还是在点外，从而也认识不到光速是自然内禀的，而把光速混同于声速一样。李国材教授即如此。现为美国加利福尼亚大学教授的卢嘉，是卢鹤绂院士的孙女。她说卢鹤绂院士1995年发表的《对马赫原理的一个直接检验》论文，不是在否定爱因斯坦相对论的基础上提出来的，而是在肯定爱因斯坦相对论的基础上提出了新的问题。即：爱因斯坦相对论在地球邻近的地区是可以适用的，扩展到宇宙是无法适用的。卢鹤绂的儿子卢永强也认为父亲的论文，“是根据由光子的惯性运动引起的横向多普勒效应，对照美国物理学家Ives和Stilwell的实验数据，经过周密的计算，得出二个重要的结论：(1)横向多普勒效应在宇宙空间是各向异性的。(2)光子的惯性属性是由整个宇宙结构所决定，是符合马赫原理的。而以一种直接的方法检验了马赫原理的正确性。这种检验是对爱因斯坦理论的一个严肃的挑战。”

　　马赫原理对爱因斯坦相对论的建立是产生过重要的影响，然而，相对论却超越了马赫原理，因为马赫原理的整体决定性在广义相对论中只保留整体的局部性，即广义相对论是一种转座子学说，是一种球面或平面拓扑的局部论，不是整性的环面拓扑学说，所以卢嘉说爱因斯坦相对论在地球邻近的地区是可以适用的，扩展到宇宙是无法适用的，却只说对了一半。因为一半是留给狭义相对论，即正是光子的惯性属性是由整个宇宙结构所决定。所以马赫原理的整体决定性才是光速的内禀属性，即光速实际上是一个无法逾越的极限，而与其它物质属性无关，它是马赫原理的整体决定性的充分表现。光线因宇宙的整体决定性导致光环绕在它的内部，使其处于空间的闭环中移动就是证明。其次，相对论扩展到信息空间也是无法适用的。由此看来，超光速是计算出来的，一些问题的提法，如现实中超光速粒子究竟是否存在？能否使远去的超光速粒子“向后转”折返？如果能，折返回来的结果会不会产生什么特别现象等研究，说明人类的数学还停留在分不清虚数是在点内还是在点外的困境。