山中方七日，世上已千年：從雙生子悖論到時(shí)間旅行
甚至沒(méi)有任何一個(gè)算命先生能夠告訴我們現(xiàn)在怎么樣！沒(méi)有任何人能夠告訴我們?cè)谌魏魏侠淼姆秶鷥?nèi)此時(shí)此刻正在發(fā)生什么事情，因?yàn)槟鞘遣荒苡^測(cè)的。
——費(fèi)曼
運(yùn)動(dòng)的時(shí)間變慢使星際旅行從幻想變成現(xiàn)實(shí)。稍后我們就會(huì)講到，恒星之間的距離非常巨大，即使用光的速率飛行，要從地球出發(fā)到達(dá)距離地球最近的恒星也要走4年多。今天，宇宙飛船的航行速率大約在每秒10千米的數(shù)量級(jí)；即使考慮到飛出太陽(yáng)系的需要，這個(gè)速率也只比每秒10千米大幾倍；如果再考慮到太陽(yáng)系本身有一個(gè)運(yùn)動(dòng)速率，那么，飛出太陽(yáng)系的宇宙飛船相對(duì)于銀河系中心的速率也就不過(guò)每秒幾百千米。為方便計(jì)算，假定宇宙飛船的飛行速率是每秒30千米。這樣，用我們今天的宇宙飛船做一次這樣的旅行就必須花上8萬(wàn)年。如果考慮到時(shí)間延緩效應(yīng)，按照這樣的速率做一次旅行所花費(fèi)的時(shí)間只比8萬(wàn)年少7個(gè)小時(shí)。因此，今天的宇航技術(shù)無(wú)法讓一個(gè)人在一生中走上這樣一個(gè)來(lái)回。
不過(guò)，如果能夠使宇宙飛船的速率達(dá)到0.99光速的速率，時(shí)間延緩的效應(yīng)將會(huì)相當(dāng)顯著。如果用這樣的速率到遙遠(yuǎn)的太空去做一次旅行，那么，在地球上的人看來(lái)，宇宙飛船中的15年就相當(dāng)于地球上的100年！可是，難道我們不可以反過(guò)來(lái)看嗎？根據(jù)狹義相對(duì)論中的時(shí)間的相對(duì)性，如果從宇宙飛船上看，情況剛好相反，做運(yùn)動(dòng)的不是宇宙飛船，而是地球，因此，地球上的15年就相當(dāng)于飛船上的100年！
這就產(chǎn)生一個(gè)令人難以回答的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題在狹義相對(duì)論的歷史上曾經(jīng)被稱為雙生子悖論。假定有一對(duì)孿生兄弟，兩個(gè)人同一時(shí)刻在地球上降生。當(dāng)然，實(shí)際上他們出生的時(shí)刻可能會(huì)相差幾分鐘，但這對(duì)我們的討論沒(méi)有任何影響。當(dāng)他們長(zhǎng)到了18歲的那一年，其中一個(gè)兄弟決意要到織女星做一次太空旅行?？椗请x開(kāi)我們大約26.4光年，如果飛船以0.99光速的速率飛行，只要大約53年就可以走一個(gè)來(lái)回。對(duì)于這趟旅行，在地球上的兄弟看來(lái)，航天的兄弟以0.99光速的速率飛行，一個(gè)來(lái)回需要53年。當(dāng)旅行結(jié)束時(shí)，地球上的兄弟已經(jīng)71歲了。但是，由于航天兄弟的時(shí)鐘要走得慢，他的生命進(jìn)程也要慢。因此，當(dāng)航天兄弟返航時(shí)，他的生命進(jìn)程才過(guò)了不到7年半，只有26歲；然而，在航天的兄弟看來(lái)，情況卻不是這樣的。在他看來(lái)，地球、織女星以及四周的空間正以0.99光速的速率運(yùn)動(dòng)，因此，地球與織女星之間的距離就不再是26.4光年了，而是不到4光年。這樣，以0.99光速的速率做一番旅行就只需要7年半，返航時(shí)他只有26歲。由于地球上的兄弟以0.99光速的速率運(yùn)動(dòng)，根據(jù)相對(duì)論，在旅行結(jié)束時(shí)，他的生命進(jìn)程才過(guò)了1年，只有19歲。
我們看到，兩個(gè)人做出的結(jié)論是矛盾的，但是，他們的根據(jù)都是狹義相對(duì)論。那么，問(wèn)題到底出在哪里呢？
對(duì)雙生子悖論做簡(jiǎn)單的分析就不難明白問(wèn)題到底出在哪里了。實(shí)際上，問(wèn)題就出在對(duì)兩個(gè)人的年齡進(jìn)行比較。要對(duì)兩個(gè)人的年齡做比較，航天的兄弟就必須回到出發(fā)的地點(diǎn)。他必須先起飛，然后把飛船，在比如說(shuō)1個(gè)月內(nèi)，加速到0.99光速的速率，然后，勻速飛行26年，再減速1個(gè)月，用很低的速率在遠(yuǎn)方兜上一陣子，然后開(kāi)始返程。返程的時(shí)候也是先加速，然后勻速飛行，最后減速停下來(lái)。因此，飛船有一陣子實(shí)際上并不處于勻速飛行狀態(tài)。我們還記得，由狹義相對(duì)論的基本原理得出時(shí)鐘變慢和尺度收縮的結(jié)論有一個(gè)基本前提，就是假定觀測(cè)者只做勻速直線運(yùn)動(dòng)。而在我們的這個(gè)例子中，宇宙飛船并不是始終在做勻速直線運(yùn)動(dòng)的?？墒?，難道我們不可以反過(guò)來(lái)看嗎？雖然在地球上看來(lái)，宇宙飛船在做非勻速的運(yùn)動(dòng)，但是，對(duì)宇航員來(lái)說(shuō)，他看到的恰恰相反，是地球相對(duì)于他做加速運(yùn)動(dòng)。那么，怎樣判斷到底是地球還是宇宙飛船在做非勻速的運(yùn)動(dòng)呢？答案就是慣性力。慣性力這個(gè)東西你大概每天都有機(jī)會(huì)感受到，當(dāng)你在電梯中加速上升時(shí)，或者坐在公共汽車(chē)上加速前進(jìn)時(shí)，都能夠感受到慣性力。在宇宙飛船加速和減速的過(guò)程中，宇航員也感受到慣性力。而在地球上的人并沒(méi)有這種感覺(jué)。正是對(duì)慣性力的感覺(jué)使宇航員知道是自己而不是地球在做非勻速的運(yùn)動(dòng)。于是，我們現(xiàn)在知道了，當(dāng)?shù)厍蛏系男值苷J(rèn)為，宇航員的時(shí)鐘走得慢一些，宇航員要比自己年輕時(shí)，他是對(duì)的，因?yàn)樗钤诘厍蛏希厍蛟谟钪嬷凶鰟蛩?/span>(當(dāng)然只是近似地)運(yùn)動(dòng)，他始終沒(méi)有感受到慣性力(當(dāng)然也只是近似地)，狹義相對(duì)論對(duì)他是適用的；然而，宇航員就不同了，在他的飛船加速或者減速的過(guò)程中，以及當(dāng)他掉頭往回飛的時(shí)候，他都感受到慣性力。正是他所感受到的慣性力使他知道，是他自己而不是地球在飛行，也正是這種慣性力使他認(rèn)識(shí)到，自己的飛船并不是處于勻速直線運(yùn)動(dòng)中。由于狹義相對(duì)論只適用于非加速的觀測(cè)者，因此，它的結(jié)論不能用在遠(yuǎn)征的宇宙飛船上。
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| 雙生子悖論：左圖：?jiǎn)⒑街?，右圖：重逢時(shí)刻。 |
當(dāng)然，這并沒(méi)有完全解決問(wèn)題。要徹底解決這個(gè)問(wèn)題，必須從加速運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)者的角度來(lái)考察時(shí)間的性質(zhì)。這將是廣義相對(duì)論研究的課題。我們將會(huì)看到，在廣義相對(duì)論中，宇宙飛船上的時(shí)間確實(shí)比地球上的時(shí)間進(jìn)展得緩慢。
于是，我們得到了這樣一個(gè)結(jié)果：航天的兄弟在遠(yuǎn)征期間要衰老得慢，當(dāng)他遠(yuǎn)征回來(lái)時(shí)，他將比留在地球上的兄弟年輕，他只用了7年半的時(shí)間，就走過(guò)了地球上的兄弟需要53年才能走完的光陰。從某種意義上說(shuō)，航天的兄弟到未來(lái)去做了一次旅行。
這個(gè)結(jié)論有沒(méi)有觀測(cè)證據(jù)呢？1971年，兩位美國(guó)物理學(xué)家，華盛頓大學(xué)的哈費(fèi)勒（J C Hafale）和海軍天文臺(tái)的基廷（Richard Keating），對(duì)放置在一架飛機(jī)上做環(huán)球旅行的原子鐘進(jìn)行了測(cè)量，以極高的精度證實(shí)了這個(gè)結(jié)論。在旅行結(jié)束時(shí)，飛機(jī)上的時(shí)鐘所指示的時(shí)間比地面上的時(shí)鐘所指示的時(shí)間慢了59納秒。
這似乎為我們展現(xiàn)出一幅到未來(lái)去旅行的美妙的圖景。只要你在一段時(shí)間內(nèi)以高速飛行，你就可以向未來(lái)進(jìn)發(fā)。只要你不斷地飛行，你就能夠不斷地深入未來(lái)。你以越高的速率飛行，就能更遠(yuǎn)地深入未來(lái)。你甚至可以用這樣高的速率飛行，使得你在飛船上僅僅度過(guò)了幾天，地球上的歷史就已經(jīng)經(jīng)歷了上千年?！吧街蟹狡呷眨郎弦亚辍钡纳裨捤坪蹙瓦@樣得以實(shí)現(xiàn)！
空間有這樣一個(gè)特性，當(dāng)你置身于其中時(shí)，可以向前后左右上下各個(gè)方向走?？墒?，如果我們置身于時(shí)間中，情況又會(huì)怎樣呢？顯然，在時(shí)間中是一定可以向前走的，這就是我們的日常生活。我們甚至可以走得更遠(yuǎn)。相對(duì)論告訴我們，乘坐高速宇宙飛船就可以深入到未來(lái)的時(shí)光中去旅行。既然我們可以在時(shí)間中向前走，反過(guò)來(lái)行不行呢？人類(lèi)是否會(huì)發(fā)明出某種裝置，令我們能夠回到過(guò)去，在歷史的長(zhǎng)河中暢游呢？相對(duì)論對(duì)這個(gè)問(wèn)題也有明確的答案，這個(gè)答案與因果關(guān)系緊密相連。
回到過(guò)去就是在時(shí)間中往回走。當(dāng)我們這樣做的時(shí)候，就會(huì)看到事物的進(jìn)程是逆著時(shí)間的方向發(fā)展的。如果我們?cè)日诳匆粓?chǎng)狩獵追逐，先看到開(kāi)槍這個(gè)事件，然后再看見(jiàn)兔子死亡這個(gè)事件。開(kāi)槍是兔子死亡的原因，原因先發(fā)生，結(jié)果隨后出現(xiàn)。但是，如果我們?cè)跁r(shí)間中往回走，就會(huì)先看到兔子從死亡中復(fù)蘇，然后看見(jiàn)槍彈倒回到獵槍中。于是，當(dāng)我們逆著時(shí)間往回走時(shí)，由于整個(gè)過(guò)程的時(shí)間順序改變了，因果相關(guān)的兩個(gè)事件發(fā)生的先后次序也巔倒過(guò)來(lái)了，結(jié)果先出現(xiàn)，原因才接著發(fā)生。
會(huì)不會(huì)出現(xiàn)這樣的情景呢？相對(duì)論明確地告訴我們：不會(huì)！相對(duì)論是怎樣得出這個(gè)結(jié)論的呢？答案就在光速這道屏障上。對(duì)因果相關(guān)的兩個(gè)事件的發(fā)生時(shí)間做一點(diǎn)數(shù)學(xué)上的分析就會(huì)發(fā)現(xiàn)，要讓這兩個(gè)事件發(fā)生的次序巔倒過(guò)來(lái)，要求有某種東西以超越光速的速率在它們之間傳播。但是，相對(duì)論不允許有超越光速的速率。因此，無(wú)論觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)怎樣，都不會(huì)看到結(jié)果在原因之前發(fā)生，因果相關(guān)的兩個(gè)事件發(fā)生的先后次序是不可能巔倒過(guò)來(lái)的。
這意味著我們不能逆著時(shí)間往回走。于是，在時(shí)間的長(zhǎng)河中，我們只能不斷地向前走，甚至可以走進(jìn)未來(lái)的時(shí)光中。但是，我們永遠(yuǎn)不可能回到過(guò)去，置身于往昔的歲月中。
為什么會(huì)這樣呢？大自然為什么要給我們制造這道屏障呢？沒(méi)有人知道答案。也許就象霍金所說(shuō)的那樣，這可能是大自然保護(hù)自己的一種方式，阻止到過(guò)去旅行才能避免可能帶來(lái)的因果性悖論，比如說(shuō)，回到某個(gè)人的母親仍處于少女時(shí)代的時(shí)刻并殺死她，或者回到歷史上某個(gè)關(guān)鍵性的時(shí)刻去改變歷史的進(jìn)程，如此等等。
不能逆著時(shí)間往回走，這多少有點(diǎn)令人遺憾。可是，能夠到未來(lái)去旅行，也算是大自然給予我們這顆孤獨(dú)的心靈的一點(diǎn)小小的安慰。那么，我們能不能到未來(lái)去旅行呢？實(shí)際上，根據(jù)狹義相對(duì)論的觀點(diǎn)，并沒(méi)有真正意義上的時(shí)間旅行。當(dāng)你乘坐著宇宙飛船以很高的速率飛行時(shí)，在地面上的觀測(cè)者看來(lái)，你的時(shí)鐘的確比地面上的時(shí)鐘走得慢。不僅如此，在地面上的觀測(cè)者看來(lái)，你的生命進(jìn)程也比他的生命進(jìn)程慢，而且，變慢的程度與時(shí)鐘變慢的程度一模一樣。于是，在你看來(lái)，你的生命的進(jìn)程與你的時(shí)鐘的進(jìn)程是一模一樣的。因此，你并沒(méi)有感覺(jué)到自己的生命進(jìn)程有任何變化，你會(huì)感覺(jué)到就象生活在地面上一樣。這就是說(shuō)，你只是按照正常的規(guī)律生活，你并沒(méi)有去到未來(lái)。但是，由于你的生命進(jìn)程比地面上的人的生命進(jìn)程慢了，因此，當(dāng)你的飛船回到地面上時(shí)，你將比一直生活在地面上的人年輕不少。于是，從某種意義上說(shuō)，你確實(shí)到了未來(lái)。不過(guò)，那不是你自己的未來(lái)，而是別人的未來(lái)。
時(shí)間旅行是一次單程的旅行，是一種再也不能回到出發(fā)的時(shí)刻的旅行。你只能到未來(lái)去，卻不能返回到出發(fā)的那一刻，因?yàn)槟悴荒茉跁r(shí)間中向后退。如果你真的想要進(jìn)行一趟這樣的時(shí)間旅行，那么，你就得付出代價(jià)。有時(shí)候，這個(gè)代價(jià)還相當(dāng)高，因?yàn)槟阍僖膊荒芑氐侥愠霭l(fā)的那一刻了，那一刻與你要去到的那個(gè)未來(lái)可能相隔千萬(wàn)年。如果你真的做了這樣一次時(shí)間旅行，那么，當(dāng)你返回地球的時(shí)候，你將是一件價(jià)值連城的老古董！
其實(shí)，我們每一個(gè)生活在這個(gè)世界上的人都在做時(shí)間旅行。你也并不例外，即使你的整個(gè)一生都在地面上度過(guò)。從你降臨到人世間的時(shí)刻開(kāi)始，一直到你的生命的終點(diǎn)，你都在做時(shí)間旅行。但是，這趟旅行與別的旅行不一樣。你不能去到未來(lái)，也不能回到過(guò)去，你將永遠(yuǎn)停留在現(xiàn)在。
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