作者：寧向東 著

作者：加來道雄

譯者：夏璐

100 年前，科學家們會說，激光、電視和原子彈超越了物理學上的可能性，但今天它們都已經成為現實。

在《不可思議的物理》中，加來道雄借助科幻的魅力帶領我們一同踏上探索科學邊界的旅程，從隱形傳送到心靈感應，他將以當下所知的物理定律和科學原理，探索技術的極限以及那些不可思議的幻想在未來得以實現的可能性。

他將這些想象分為一等、二等和三等，依據是它們可能在何時被實現：在下一個世紀之內、在數千年之內，或者永遠不會。

我們將在這本書中看到，利用光學和電磁來實現隱身的方法，了解如何利用沖壓噴氣式火箭、激光帆、反物質發動機和納米飛船帶我們去往其他星球，以及通過核磁影像、超導性和納米科技實現心靈感應的可能性，感受不可思議的魅力。

本文將截取原文中的一部分，跟大家分享。

正文

或許，在黑洞和時間機器的密集數學方程方面，宇宙學家斯蒂芬·霍金是最著名的代表人物。不同于其他早早就因數學、物理受人注目的學習相對論的學生，霍金在年輕時其實不是個優秀的學生。他顯然極為聰明，但他的老師們常常會注意到，他沒有將精力集中在學習上，并且從來不發揮他的全部潛力。

但是轉折點在 1962 年到來了，從牛津畢業后，他開始出現肌萎縮側索硬化（ALS）的癥狀。他被自己患有這一運動神經元上的不治之癥的消息驚呆了，這種病將剝奪他的所有運動功能，并可能很快導致死亡。最初這一消息令人極為難過。如果他無論如何都會很快死去，那么獲得博士學位又有何用呢？

在熬過了最初的恐懼、震驚之后，他有生以來第一次得以集中精神。他意識到自己沒有多長時間可以活了，便開始猛攻廣義相對論中某些最困難的問題。

20 世紀 70 年代早期，他發表了一系列里程碑式的論文，證明愛因斯坦理論中的“奇點”（在這個位置，引力場變得無窮大，比如黑洞的中心和宇宙大爆炸的瞬間）是相對論不可或缺的一部分，并且無法被輕易摒除（就像愛因斯坦所認為的那樣）。

1974 年，霍金還證明了黑洞并不完全是黑的，而是會逐漸放射出輻射，現在這被稱為“霍金輻射”，因為輻射連黑洞的引力場都能穿透。這篇論文是量子理論在相對論上的第一次重要應用，并且是他最著名的研究成果。

正如預測的那樣，肌萎縮側索硬化慢慢使他的手、腿和聲帶癱瘓，但速度比醫生最初的預計慢得多。

因此，他已經經歷了許多對于普通人來說十分重大的人生事件：成為三個孩子的父親，于 1990 年與第一任妻子離婚，五年后娶了第二任妻子，并于 2006 年申請與第二任妻子離婚；2007 年，他登上噴氣式飛機進行無重力飛行，實現了畢生的心愿。他的下一目標是飛向太空。

后來，他幾乎完全癱瘓在輪椅中，通過眼睛的活動與外界交流。然而，盡管身患難以忍受的殘疾，他仍舊能開玩笑、寫論文、做演講，并且參加論戰。他僅靠移動雙眼就比那些能夠完全控制自己軀體的科學家團隊更有效率。

（他在劍橋大學的同事、女王任命的皇家天文學家馬丁·瑞斯爵士曾經向我透露，霍金的殘疾的確妨礙他進行那些為了保持自己研究領域內頂尖地位所需要的單調計算。因此，他轉而集中精力提出新穎的思想，而不是完成困難的運算，這可以由他的學生來做。）

1990 年，霍金讀了同事們的一篇論文，提出了一種類型的時間機器，他立刻產生了懷疑。他的習慣告訴他，時間旅行是不可能的，因為不存在來自未來的旅行者。如果時間旅行如同星期天在公園里野餐一樣常見，那么來自未來的時間旅行者應當會舉著相機糾纏我們，要求我們擺好姿勢。

霍金還向全世界的物理學家提出了一項挑戰。他宣布，應當有一條定律使時間旅行不可能實現。他提出了“時序保護猜想”，從物理定律上禁止時間旅行，以“為歷史學者保障歷史的安全”。

然而，令人尷尬的是，無論物理學家們多么努力地嘗試，都無法找出一條不允許時間旅行的定律。看起來時間旅行似乎符合已知的物理定律。

由于無法找出任何禁止時間旅行的物理定律，霍金后來改變了主意。他說：“時間旅行或許可行，但是它不實際。”這句話在倫敦的報紙上被大肆報道。

時間旅行一度被認為是邊緣科學，卻突然間成了理論物理學家們的游樂場。加州理工學院的物理學家基普·索恩寫道：

“時間旅行曾經僅僅是科幻作家的領地。嚴肅的科學家對其像躲避瘟疫一般，唯恐避之不及——哪怕是在用筆名寫小說或者私下閱讀的時候。時代真是變了！現在能夠在嚴肅科學期刊上發現關于時間旅行的學術性分析，出自著名的理論物理學家之手……

為什么會發生這樣的改變？因為我們物理學家已經意識到時間的本質是一個極為重要的議題，不能僅僅被遺落在科幻作家手中。”

所有這些混亂與興奮的原因是，愛因斯坦的方程允許很多種時間機器存在。（然而，它們是否經得起量子理論的挑戰仍不確定。）在愛因斯坦的理論中，事實上我們常常遇到某種叫“封閉式類時間曲線”的東西，它是允許回到過去的時間旅行路徑的專業術語。

如果我們沿著一條封閉式類時間曲線的路徑前進，那么我們將踏上一次旅程，并且回到我們出發之前的時間。

《神秘博士》中的時間機器 Tardis。圖片來源：Pixabay

第一種時間機器包含了一個蟲洞。愛因斯坦方程有許多解連接了空間中兩個相距遙遠的點。但是，由于空間和時間在愛因斯坦的理論中密不可分，相互交織，因此，同一個蟲洞可以連接時間中的兩個點。掉入蟲洞，你可以（至少在數學上）回到過去。

可以想象，你隨后能夠回到開始的那一刻，并且遇到離開之前的你自己。但是，正如我們在之前的章節中提到的，穿過一個黑洞中心的蟲洞是一次單程旅行。正如物理學家理查德·戈特所說：“我不認為一個人在黑洞中回到過去的時光會存在什么疑問。問題是他是否能重新出現，夸耀他的經歷。”

另一種時間機器包括一個旋轉的宇宙。1949 年，數學家庫爾特·哥德爾發現了第一個包含時間旅行的愛因斯坦方程的解。假設宇宙旋轉，那么只要你在宇宙中以足夠快的速度移動，或許就可以回到過去，甚至到達自己出發之前的時間。因此，一次環繞宇宙的旅行也是一次回到過去的旅行。

當天文學家們拜訪高級研究所的時候，哥德爾常會問他們是否找到了宇宙正在旋轉的證據。當他們告訴他有清楚的證據表明宇宙在膨脹，但是宇宙的凈轉動可能是零時，他很失望。（否則，時間旅行或許會很平常，歷史會像我們所了解的那樣令人崩潰。）

第三種情況，如果你繞著一根無限長的、旋轉的圓柱走，你可能同樣會發現，自己回到了自己出發之前。（這個解是由W.J. 范·斯托克姆在1936 年發現的，早于哥德爾的時間旅行解，但斯托克姆看起來沒有意識到他的解允許時間旅行。）既然如此，如果你在五朔節繞著一根旋轉的五月柱跳舞，那么你或許會發現自己身處四月。（然而，這一方案的問題在于圓柱必須是無限長的，并且旋轉得非常快，以至大多數材料會被甩出去。）

最近的時間旅行的例子由普林斯頓大學的理查德·戈特于1991年發現。他的解決方案是以發現巨大的宇宙弦（可能是最初的大爆炸的殘存物）為根據的。他假設兩根大型宇宙弦即將相撞。如果你快速繞這兩根相撞的宇宙弦移動，你就會回到過去。

這種類型的時間機器的優勢在于不需要無限長的圓柱、旋轉的宇宙或者黑洞。（然而，這一方案的問題在于必須先找到漂浮于太空中的巨大宇宙弦，并且隨后使它們以精確的方式相撞。回到過去的可能性只能持續一段短暫的時間。）戈特說：“一個坍縮的弦環足夠大，需要你用一年的時間繞它一圈然后回到一年前，那么弦質量－能量必須超過整個星系的一半。”

但是，時間機器最有前景的方案是前一章中提到的“可穿越蟲洞”，一個時空中的洞，在蟲洞中人可以自由在時間中前進和后退。理論上說，可穿越蟲洞不僅能提供超光速旅行，還可以提供時間旅行。可穿越蟲洞的關鍵是負能量。

一個可穿越蟲洞時間機器將由兩個房間組成，每個房間由兩個分開一小段距離的同心球體組成。使外側的球體向內聚爆，兩個球體會制造卡西米爾效應，并因此產生負能量。

假設一個III 型文明能夠將這兩個房間用一個蟲洞（可能從時空泡沫中獲取一個）連接起來。隨后，將第一個房間以接近光速的速度送入太空。那個房間里的時間會減慢，這樣兩個時鐘就不再同步了。兩個房間內的時間以不同的速度流逝，而它們由一個蟲洞相連。

如果身處第二個房間內，你可以立即穿過蟲洞到達第一個房間，那里的時間比較早。這樣你就回到了過去。

這一方案面臨難以克服的問題。蟲洞可能會很小，比一個原子還小得多。金屬板可能必須被向內收緊到普朗克長度的距離，以制造足夠的負能量。最后，你只能回到時間機器被制造的時間點。在那之前，兩個房間的時間流逝速度是相同的。

【《不可思議的物理》作者介紹：加來道雄（Michio Kaku）。他是美籍日裔物理學家，科學暢銷書作者，超弦理論創始人之一，紐約城市大學研究生中心理論物理學教授。

他撰寫了多部廣受贊譽的科普著作，包括《平行宇宙》《不可思議的物理》《人類的未來》等，并多次入圍《紐約時報》和《華盛頓郵報》年度科學讀物。他還主持過多檔電視科普節目，并在美國《60分鐘》《早安美國》以及《拉里?金直播在線》等節目中擔任嘉賓。他的文章《一名物理學家的教育歷程》被收錄至人教版高中語文課本。】

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