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东边日出西边雨——江晓原的网易博客

 
 
 

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科幻中时空旅行之物理学历史理论背景分析研…  

2009-05-11 10:30:00|  分类: 二化斋学术论文 |  标签: |举报 |字号 订阅

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载《851M:我们的科学文化》(1)
华东师大出版社,2007年

 

科幻中时空旅行之物理学历史理论背景分析研究(下)

 

穆蕴秋 江晓原

(上海交通大学科学史系,200030)

 

 

六、解决时间佯谬:多世界理论和诺维柯夫自洽原则

 

  回到过去的时空旅行所引发的因果律背反所造成的时间佯谬,作为一个很好的故事材料,在科幻作品中回到过去的时间旅行类型中被反复使用。一个问题也由此引出:如果可以回到过去,如果历史可以被改变,这个世界将是怎样的情形?科幻作家John Varley在他的小说Millennium(1982年)中,曾从“技术滥用”的角度表达过这种担忧[[44]]:   

  时空旅行是如此之危险,以至于氢弹也成了孩子们和低能儿的相当安全的礼物了。我的意思的,对于核武器而言,能发生的最坏的情况是什么?几百万人口的死亡——微不足道,而有了时空旅行,我们可以毁坏整个宇宙,根据这个理论大抵如此。

  在《时间警察》这样的影片中,这一思想则被演绎到极致:在未来的某一天,时空旅行成为现实,这时候,世界上出现了一种职业—时间警察,他们专门追捕那些通过时空旅行回到过去干涉历史的罪犯。

  这的确是一个难题。尽管从1949年哥德尔开始,不少科学家已经先后在爱因斯坦场方程中找到了允许时空旅行的解,但时间佯谬还是被作为排除人类通过时空旅行回到过去的一个有力反证,也是因为这一点,一些物理学家断然拒绝进行与时间机器论题相关的任何研究[[45]]。

  事实上,时间佯谬还是存在解决方案的。

  1957年,一位名叫埃弗莱特(Hugh Everett)的年轻人,在博士论文中,针对量子测量中波函数坍塌的疑难,提出了“多世界解释”(many world interpretation)[[46]]。他认为,在量子测量过程中,观察者的观察状态分裂成不同的分支,每一分支对应客体系统中的一种本征态,代表观察者所得特定的测量结果,所有分支是共存的,具有同等的实在性,结论是波函数并没有坍塌。

  埃弗莱特的“多世界解释”发表后,虽然有导师惠勒(John Wheeler)的推荐和修改,但物理界却反应冷淡。受到冷落的埃弗莱特逐渐退出物理学界,而他的“多世界解释”见解也长期不为人们所重视,直到70年代,布莱斯·德威特(Bryce S.De Witt)重新发掘了这个理论并在物理学家中大力宣传,它才开始为人所知。

  多世界解释后来被时空旅行故事作为背景广为借鉴。在Michael Moorcock的小说系列Eternal Champion stories中,多世界理论有了一个新的科幻名称“多元宇宙(multiverse)”,它被后来的小说家们一直沿用,它的其它别称也相继在科幻作品中产生,如“平行宇宙(parallel universes)”、“平行世界(parallel worlds)”、“更替宇宙(alternate universes)”等等。这些名称大同小异,思想主旨也基本一致:事件发展的每一种可能性都会导致不同的结果产生,从而构成各自的历史事件也独立共存着。“(外)祖父佯谬”从中也找到了解决方案:时空旅行者回到过去,在他的(外)祖父遇到他的(外)祖母之前将其杀死后,一个新的历史分支随即产生,这个分支中,时空旅行者父母中的一方没有出生,时空旅行者自然也不会出生;而与此同时,原有的那个历史分支也平行存在着,在这个分支中,时空旅行者从没有回到过去杀死过他的(外)祖父。

  与多世界理论相关的科幻作品,最受称道的——特别对崇尚“硬科幻”的人而言,是格雷戈里·本福德的《时景》[[47]](Timescape 1980年)。小说故事被设置在1998年,主人公使用了一个超光速粒子向1963年发送了一个信号,告知那时的科学家1998年将出现席卷全球的生态灾难,让他们预先采取措施以改变事情的发展方向,把历史事件扭向另外一个发展轨道上。理查德·高特[[48]]一篇论文中的内容,还作为制作超光速粒子发射器的重要线索在小说中被提到。

  此外,电影《蝴蝶效应》也很典型,主人公一次一次通过日记本,回到过去更改历史,使事情行进到平行的另外一个时间分支中。表达方式更为极端的影片《土拨鼠日》,则让主人公每天清晨醒来发现自己又很怪异地回到了头一天,“土拨鼠日”这一天被不断重复。与其相类似的还有《十二点零一分》,同一件事总是在每天的“十二点零一分”重复出现。电影《救世主》则讲述了来自多个宇宙的同一人之间进行决斗的故事。

 

   “多世界理论”对时间佯谬的解决通常被认为比较激进。后来的K.S.索恩和I.D.诺维柯夫在研究虫洞理论时,对时间佯谬提出了新的解决方法[[49]]: “诺维柯夫自洽原则”(Novikov Self-consistency Principle)。同样,这个原则主要基于物理学上的自洽,而非现实中的事件情形,这里想回避掉的是自由意志的问题,用索恩的话来说[[50]]:

  即使宇宙中没有时间机器,自由意志现在也是令物理学家手足无措的问题。我们通常总是逃避它,认为它不过是把原本清楚的事情弄得更复杂罢了。在时间机器上,更是如此,所以……坚持不在文章中讨论人类穿越虫洞的事情,我们只谈简单的非生命旅行……。

  在新的解决方案中,“(外)祖父佯谬”中那位回到过去想杀死自己(外)祖父的主人公,无论如何也不会得逞,因为他会被种种因素所干扰限制,这是被时间旅行者进入时间机器前的初始条件就决定了的,所以,过去历史不会被更改。按照诺维科夫的说法[[51]],物理定律不允许时间旅行者杀死自己的外祖父,就像物理定律不允许人们行走在天花板上一样,只不过前者加在自由意志上的约束是“不寻常的、神秘的”,但与后者相比并非全然是独一无二的,“虽然有所不同,但不是根本的不同”。

  相较多世界理论,诺维科夫自洽原则通常被认为较为保守,但它在科幻作品中仍然被广泛运用。在电影中,《十二只猴子》属于这一类型,主人公回到过去,他最终没有改变历史而是被击毙;2002年新版《时间机器》中,科学家多次乘坐时间机器回到过去,希望改变未婚妻被杀害的事实,但这件事却无论如何都会发生。

  任职于NASA的科学家Geoffrey A.Landis在他的小说《狄拉克海上的涟漪》[[52]](Ripples in the Dirac sea  1989年)中设置了 “时间旅行准则”,把诺维柯夫自洽原则成功地和整个故事情节结合起来:1、旅行只能前往过去;2、传送对象要回到精确的出发时间和地点;3、把过去的对象传送到现在是不可能的;4、过去的行为不能改变现在。准则1限制人们不能预知未来,准则4则是专门针对时间佯谬的。故事中那位发明时间机器的天才科学家,在公布他的成果之前,却被困在一个发生火灾的旅馆中,尽管他可以一次又一次地乘坐时间机器逃到过去,但他却不能改变历史,所以,火灾还是会发生,死亡还是在一步步逼近——最重要的是,时间机器也将被毁掉了。

 

七 物理学家对时空旅行的看法

 

  通过上述对科幻作品中时空旅行物理学历史理论背景的分析,不难看出,该题材科幻作品在不断涌现中,其创作与相关科学理论研究始终保持着密切联系。科幻作品从物理学理论上前沿成果中不断获取创作灵感——这是时空旅行题材的科幻作品能够持续涌现的主要原因,与此同时,物理学研究也在接纳吸收科幻作品所带来的启发性思路。

相关的讨论也还远未结束,在物理学界对时空旅行持否定态度的观点也一直存在着。事实上,早在哥德尔公布他允许时空旅行的场方程解时,爱因斯坦就曾对此做出过回应[[53]]:

  这里涉及的问题还在建立广义相对论的时候已经搅得我心烦意乱了,我一直没能把它澄清。完全撇开相对论与唯心主义哲学、与所论问题的任何哲学提法之间的关系不谈,权衡一下有没有物理根据去排除这些解将是令人感兴趣的。

    最主要的是,尽管时空旅行的能量条件在科幻小说家那里几乎都不太成问题,但却是物理学家最为关注的问题,由于所有的理论表明时空旅行只有在高速运动的世界中才有可能发生,非凡的能量条件就是时空旅行所必备条件之一。理论物理学家鲁佩茨·伯格(Heinz Rupertsberger)针对这种情形曾表达了他颇具代表性的担忧[[54]]:

    时间旅行所需的速度需要超过光速的70%;所需要的能量是巨大的。如果把地球想像为火箭,把它的物质想像为以光速喷射的火箭燃料,这件事就变得清楚了。非常粗略的计算,要进入一条物质世界线过去100年中旅行——旅行者需要在其中旅行100年——至少旅行结束时,需要消耗相当于使地球塌缩成一个半径为6米的天体所需要的那么多的地球物质。

  索恩在研究虫洞时,一开始就预料到他的理论将面临这一难题,所以他一再强调把实现时空旅行的计划交给无限高级的先进文明去完成,只单纯探讨物理学理论法则允许物理学家们对此做些什么。即便这样,虫洞理论也还是没有避免来自理论层面的置疑。史蒂芬·霍金提出了的时序保护猜想(The Chronology Protection Conjecture)[[55]],经过论证,霍金认为,物理定律会以某种方式阻止时间旅行成为可能——无限先进的文明也不可能制造出时间机器,在机器启动的那一刻,它会被强大的量子真空引力所击碎。

  这个思想也可追溯到科幻作品:前面提及的电影《时间警察》、阿西莫夫的著名小说The End of Eternity(1955年)Charles Stross的小说 Singularity Sky(2003年),都是涉及这一主题的作品,电视系列剧《胡博士》和《星际迷航》自然也不会放过这一题材。著名连环漫画Marvel Universe(1961)更是把这一思想夸张到了极至,它里面类似于时间警察的Time Variance Authority(TVA)主要职能就是管理并存的多宇宙和修剪那些有危险存在的时间线,以及防范那些打算改变过去或未来历史的犯罪行为。

  在索恩60岁生日上,他提出了十个猜想和预言[[56]]。猜想9听起来还不无乐观:

  我们将证明,物理学定律确实允许在人体大小的虫洞内存在足够的奇异物质,从而保持虫洞的开放。但我们也将证明,制造虫洞和打开虫洞的技术远远超越我们人类文明的能力。

  但他的最后一个猜想则表明他最终被霍金的理论说服了:

  我们将证明,物理学定律严禁回到过去的时间旅行,至少在人类的宏观世界是这样的。不论多么先进的文明付出多么艰辛的努力,都不可能阻止时间机器在启动的时刻发生自我毁灭。

  尽管如此,但时空旅行——特别是超空间旅行对人类目前的技术拓展毋庸置疑有着很大的诱惑力:1996年翘曲飞行被NASA列入BPP(Breakthrough Propulsion Physics Program)计划之一,2002年该计划被停止[[57]],有关翘曲飞行的研究自然也搁置下来,意味着它距离实现依然非常遥远。

  事实上,时空旅行的现实可能性除了来自物理学法则和物质技术水平的局限之外,来自哲学层面上对因果律的思考也使它陷入困境,所以,对于时空旅行,现在能做出的结论也许只是:与其相关的争论还将从这两个方面被继续下去,而这也恰恰就是这个科幻分支继续存在下去的主要原因。

 

附录:

时空旅行题材的电影(电视)作品,按出品年代排序(多年代表示多版本或多系列),空白表示电影中未提及:

 

名称

国别

出品年代

 

时间旅行方式

时间旅行

手段

《时间机器》 The Time Machine

(三个版本)

美国

1968 1969  2001

     

未来

时间机器

《胡博士》  Doctor Who(电视系列)

英国

1963-现在

过去

未来

超空间

超立方体

《星际迷航》 Star Treck(多系列电视剧)

 

1966-2005

过去

未来

超空间

太空船

《猿人星球  Ⅰ II III》

Planet of the ApesⅠ II III

美国

1968 1969  2001

未来

飞机

《一次又一次》

Time After Time

美国

1979 1985

未来

时间机器

《超人II》 superman

美国

1980

过去

超光速飞行

《时光倒转七十年》

somewhere in time 

美国

1980

过去

催眠

《终结者ⅠII III》

The Terminator Ⅰ II III

美国

 

1984 1991 2003

过去

时间机器

《回到未来ⅠII III》

Back to the FutureⅠ II III

 

美国

1985

1989

1990

过去

汽车

《比尔和特德的精彩冒险ⅠII》

Bill&Ted's Excellent AdventureⅠ

Bill&Ted's Bogus Journey II

美国

1989  1991

过去

电话亭

土拨鼠日Groundhog Day

美国

1993

停止

 

《12点零一分》 12:01

美国

1993

停止

 

《大话西游》

中国

1994

回到过去

月光宝盒

《时间警察》 timecop

美国

1994  2003

过去

时间机器

《十二只猴子》

Twelve Monkeys

美国

1995

过去

时间机器

《接触》contact

美国

1997

超空间

时间机器

《黑洞视界》 Event Horizon

美国

1997

超空间

太空船

《生死调频》Frequency

美国

2000

平行宇宙

 

《居家男人》   The family man

美国

2000

平行宇宙

睡眠

《救世主》The one

美国

2001

平行宇宙

 

《穿越时空爱上你》

Kate & Leopold

美国

2001

过去来到现在

 

《触不到的恋人》

韩国

2001

多世界

 

《重返中世纪》Timeline

美国

2003

平行宇宙

三维复制

《情牵一线》

中国

2003

平行宇宙

 

《蝴蝶效应》

The Butterfly Effect

美国

2004

回到过去

日记本

《雷霆万钧》

A  Sound of Thunder

美国

2005

回到过去

时间机器

《无极》

中国

2006

回到过去

超光速奔跑

《湖边小屋》The  Lake  House

美国

2006

多世界

 

 


 

参考文献

 

[44]瓦利(John Varley )的《千禧年》(Millennium, 1983年),1989年被拍摄为同名电影。 —— 此处引文转引自《时间之河》(见注释[45]), p 240。

[45](俄)伊戈尔.诺维科夫:《时间之河》,吴王杰, 陆雪莹, 闵锐 译,上海科学技术出版社,2001年, 252页。

[46] Hugh Everett III* ,Relative State" Formulation of Quantum Mechanics  Reviews of Modern Physics  29, 454–462  (1957) [Issue 3 – July 1957 ] .

“多世界理论”是其支持者德威特(Bryce Dewitt)后来取的名字,埃弗里特在开始则称它为“相对态超理论(relative-state metatheory)”或是“宇宙波函数理论”。

[47]《时景》(Timescape1980年),最初由西蒙-舒斯特出版社出版,由于这部小说取得了相当大的成功,此后该出版社把它所有出版的科幻小说命名为“《时景》系列”。

[48] J. Richard. Gott III,A Time-Symmetric Matter, Antimatter, Tachyon Cosmology Astrophysical Journal Vol. 187, pp. 1-4 (1974). 

高特还有专门讨论时空旅行的书《在爱因斯坦的时空旅行》,长春出版社, 2003年。

[49]这个问题引发了一系列讨论,主要论文可参见

Fernando Echeverria, Gunnar Klinkhammer, and Kip S. Thorne  Billiard balls in wormhole spacetimes with closed timelike curves: Classical theory  Phys. Rev. D 44, pp1077–1099 (1991) [Issue 4 – 15 August 1991 ].

John Friedman, Michael S. Morris, Igor D. Novikov, Fernando Echeverria, Gunnar Klinkhammer, Kip S. Thorne, and Ulvi Yurtsever  Cauchy problem in spacetimes with closed timelike curves  Phys. Rev. D 42, 1915–1930 (1990)[Issue 6 – 15 September 1990 ].

[50]基普.S.索恩:《黑洞与时间弯曲》,李泳 译,湖南科学技术出版社, 2005年,475页。

[51] 伊戈尔.诺维科夫:《我们能改变过去吗?》,《时空的未来》文集,李泳译,湖南科学技术出版社,2005年,66页。

[52]《狄拉克海上的涟漪》,载于《科幻世界》杂志,2002年10期,6页。

[53] Quoted in Paul Schilpp,ed., Albert Einstein: Philosopher-Scientist(New York:tudor,1957)——转引自王浩:《哥德尔》, 康宏逵译,上海译文出版社,2002 年,254页。

[54] 《逻辑人生——歌德尔传》 122页

[55]  S.W. Hawking, The Chronology Protection Conjecture, Phys. Rev. D 46, pp603–611 (1992).

此文发表后,针对这个问题也引发了一系列的争论,主要参见

Matt Visser, From wormhole to time machine: Comments on Hawking's Chronology Protection Conjecture,Phys.Rev. D47 ,pp554-565 ,(1993).

Matt Visser,Hawking's chronology protection conjecture: singularity structure of the quantum stress--energy tensor,Journal-ref: Nucl. Phys. B416, p895, (1994);

Li-Xin Li, "Must Time Machine Be Unstable against Vacuum Fluctuations?", Class.Quant.Grav. 13,pp 2563-2568(1996).

Li-Xin Li, J. Richard Gott, III, A Self-Consistent Vacuum for Misner Space and the Chronology Protection Conjecture, Phys.Rev.Lett. 80,pp2980-2983, (1998).

[56] K.S索恩:《时空弯曲与量子世界:对未来的思考》,127页-130页,《时空的未来》文集。关于索恩对霍金这个理论的看法,还可参见《黑洞与时间弯曲》,482页-487页。

[57] 相关内容见NASA官方网 http://www.nasa.gov/centers/glenn/research/warp/warp.html

 

 

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