时间旅行是科学？还是幻想？( 三 ) _小知识

可惜的是，哥德尔宇宙并不符合天文观测。首先，我们所生活的宇宙并不存在整体的旋转[注四]；其次，在哥德尔宇宙中宇宙学常数是负的，而我们观测到的宇宙学常数却是正的。因此我们所生活的宇宙显然不是哥德尔宇宙。不仅如此，定量的计算还表明，即便我们真的生活在一个哥德尔宇宙中，也很难实现时间旅行，因为沿哥德尔宇宙中的闭合类时曲线运行一周所需的时间与宇宙的物质密度有关，对于我们所观测到的物质密度而言，沿闭合类时曲线运行一周起码需要几百亿年的时间。因此哥德尔宇宙对于时间旅行并无现实意义。
不过，哥德尔宇宙虽然没有现实意义，但它的发现表明广义相对论的确允许闭合类时曲线的存在，这本身就是一个鼓舞人心的结果。自那以后，物理学家们在广义相对论中又陆续发现了其它一些允许闭合类时曲线的解。比如 1974 年，美国图兰大学 (Tulane University) 的物理学家梯普勒 (Frank J. Tipler) 研究了一个无限长的旋转柱体外部的时空[注五] ，结果发现只要旋转速度足够快，这样的柱体对外部时空所起的拖曳作用也足以形成闭合类时曲线。又比如 1991 年，普林斯顿大学的天体物理学家高特 (John Richard Gott III) 发现两条无限长的平行宇宙弦以接近光速的速度彼此擦身而过时，也会在周围形成闭合类时曲线。与梯普勒人为引进的旋转柱体不同的是，宇宙弦的存在虽然还没有明确的实验证据，但它是许多前沿物理理论所预言的东西。因此高特的结果可以算是把时间机器在理论上的可能性又推进了一步。
但是梯普勒与高特为了数学上的便利都引进了无限长的物质分布 (即 “无限长的旋转柱体” 和 “无限长的平行宇宙弦”) ，这在现实世界中显然是不可能严格实现的。假如物质的分布不是无限的，还可以得到类似的结果吗？物理学家们对此也做了研究，但情况不容乐观： 1992 年，著名物理学家霍金 (Stephen Hawking) 给出了一个令人沮丧的结果，那就是如果能量密度处处非负，那么试图在任何有限时空区域内建造时间机器的努力要想成功，都必须产生物理学家们最不想看到的东西——时空奇点[注六] 。时空奇点对于研究广义相对论的人来说是并不陌生的，它具有一系列令人头疼的性质，比如物质的密度发散，时空的曲率发散，等等[注七] 。虽然没有人确切知道时空奇点的出现会对时间旅行产生什么影响，但这种影响很可能是凶多吉少的。
霍金的这个结果对于建造时间机器无疑是坏消息，但细心的读者也许注意到了，这个结果中有一个限制条件，那就是 “能量密度处处非负” 。这个条件粗看起来是非常合理的，但我们在介绍虫洞的时候已经提到过，负能量物质的存在不仅在理论上是可能的，而且已经得到了实验的证实。
既然负能量物质可以存在，那么霍金的结果 (确切地说是其中的结论部分) 就有可能被避免。这方面的研究事实上早在霍金的结果出现之前就已经有人进行了——当然目的不是为了避免当时尚未出现的霍金的结果：加州理工学院的物理学家索恩 (Kip Thorne) 与学生莫里斯 (Mike Morris) 等人在 1988 年发表的一项有关 “可穿越虫洞” (traversable wormhole) 的研究中，发现虫洞不仅是空间旅行的通道，而且还可以作为时间旅行的工具——只要让虫洞的出入口以接近光速的速度作适当的运动，就可以将虫洞转变成时间机器[注八] 。由于虫洞中含有负能量物质，因此他们这种时间机器可以避免霍金的结果，不导致时空奇点 (从这个意义上讲，负能量物质还真是很有 “正能量”) 。索恩等人的这一研究把科幻小说中最具魅力的两个概念——虫洞与时间机器——联系在了一起，集 “万千宠爱” 于一身，很快就成为了建造时间机器的热门方案。

时间旅行是科学？还是幻想？( 三 )

猜你喜欢