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除了虫洞,量子引力能否让我们进行时间旅行?

2019-09-17
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绝大多数科幻迷都知道一种打造时间机器的古老方式。这个时间机器就是虫洞,虫洞可以充当一座桥梁,让我们进行时间旅行。热门影片《雷神》和《星际穿越》中都出现了虫洞。不过,科学家至今没有在宇宙中发现虫洞。除了虫洞,我们还有其它选择吗?答案可能是“量子引力”。

虫洞艺术概念图,是时空结构扭曲形成的一条捷径


根据广义相对论,借助虫洞进行时间旅行具有可能性。不过,在帮助我们了解宇宙方面,广义相对论可能并非最终答案。虽然这一理论在预测恒星和行星等宏观天体如何运动和交互方面表现出色,但这个理论并不是宇宙的根本性解释,广义相对论并未考虑微小而奇异的量子力学世界。根据广义相对论,行星、恒星或者星系等大型天体以一种连续的方式发生交互。引力本身是一种连续的力。在量子力学中,空间、物质、能量、交互以及一切都量子化。形象地说,空间被“颗粒化”,如果无限放大,你会看到空间的“像素”。


根据量子力学,如果无限放大,现实中的一切都被像素化


为了弄清如何将广义相对论与量子理论统一,物理学家一直在发展量子引力理论。一项成功的理论不仅能够解释行星和星系团等大质量天体,也能解释原子和夸克等微小事物。已经有几个量子理论模型将极大和极小的事物统一起来了。最近的一篇论文将目光投向量子引力模型下时间旅行的可能性。


物理学上的时间旅行是一个什么概念?想象一下,你买了一张飞机票,从洛杉矶国际机场启程而后环游世界,最后再返回这座机场。坐飞机环飞地球会回到起点,时空旅行不仅回到起点,同时还返回出发时的时间。这种概念被称之为“封闭类时曲线”,是进行时间旅行的一种方式。

广义相对论认为借助虫洞进行时间旅行在理论上可行


理论上,量子引力允许封闭类时曲线存在。它们能够在黑洞(克尔-纽曼时空)或者虫洞(爱因斯坦-罗森桥)内形成。虽然从未观测到虫洞,但从数学层面来讲它们可能存在。研究论文作者、日内瓦大学哲学副教授克里斯蒂安·伍斯里奇表示:“迄今为止,科学家还没有观测到虫洞。如果观测到,又意味着什么呢?很不幸,这个问题同样没有确切答案。不过,一些现实存在的影响只能解释为一个含有封闭类时曲线的小区域。”


在最受认可的量子引力理论中,宇宙是一个怎样的存在?是否仍允许封闭类时曲线存在?现在,就让我们了解一下这些理论。


时空可能是双曲线,就像这座挪威公共图书馆的屋顶


环量子引力理论


在环量子引力理论中,引力由名为“量子”的粒子构成。这些粒子与光子或者夸克不同;量子如何演化定义了时间。意大利理论物理学家卡洛·罗威利表示,如果将时空比作一件T恤,量子就是丝线。将这些丝线剥离,这件T恤也就不复存在。


伍斯里奇说:“环量子引力理论只考虑了全局双曲时空的广义相对论。”封闭类时曲线需要一个时间环可以回到原点的时空。如果时空是全局双曲线,这样的时间环便不可能存在。因此,环量子引力理论并不允许时间旅行。


在量子物理学,纠缠粒子紧密地联系在一起。不管彼此相隔多远,其中一个粒子的行为都会影响另一个粒子的行为


因果集合论


根据因果集合论,所有的空间、时间和物质都由不连续的时刻和事件构成,一个是另一个的因。这就像闹钟响了,你会起床吃早餐,吃早餐又促使你刷牙。根据因果集合论,你的定义就是所有时刻和行为的因果集合。每一个不连续的行为都构成了你的一个集合。在这项理论中,万事万物甚至时空都有它们的不连续时刻或者集合,一个行为紧随另一个行为。不相干的事件——例如邻居刷牙不会影响你的行为——并不是你的集合的一部分。自身集合内的事物以及以前的所有行为定义了你。


如果让因果集合论允许时间旅行,我们需要一个“事件环”。换句话说,事件A导致事件B,事件B导致事件C。如果A导致B,B也导致A(就像封闭类时曲线一样),A和B一定是同一事件。因此,在因果集合论中,时间旅行并不具有可能性。


爱因斯坦的广义相对论阐述了引力如何成为时空结构的结果


半经典量子引力理论


半经典量子引力理论认为物质遵循量子力学法则,引力和时空遵循经典定律。在这种情况下时间旅行能否实现,还是一个未知数,因为这取决于很多我们尚未了解的因素。简单地说,能否实现取决于能量条件;普遍的观点是需要正能量。


伍斯里奇说:“广义相对论中假设的能量条件可能违反量子理论,包括半经典量子引力理论。如果能够兼容,半经典量子引力理论允许时间旅行的可能性便会提高。”现在,这一理论还没有发展到深入了解这些能量条件的程度。这种类型的宇宙能否允许时间旅行,科学家尚无定论。



根据弦理论,粒子就像是在微小一维弦上演奏的音符

弦理论


在弦理论中,科学家认为粒子是非常微小的一维弦。我们观测到的夸克或者电子行为取决于这个弦如何振动。这就像一根振动的小提琴琴弦会发出不同的声音。在这项理论中,封闭类时曲线不仅可以存在,甚至有可能到处都是。


对于宇宙的特性和本质,还有很多东西是我们不知道的。科学家提出的所有量子引力理论都不够完善。我们能否进行时间旅行,可能只有时间能够告诉我们答案。


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转自:漫步宇宙/qqtaikong

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