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第26章

作者:容与
但是,如果這样的话,为什么从来沒有一個来自未来的人回来告诉我們如何实现呢?鉴于我們现在处于初级发展阶段,也许有充分理由认为,让我們分享時間旅行的秘密是不智的。除非人类本性得到彻底改变,非常难以相信,某位从未来飘然而至的访客会贸然泄漏天机。当然,有些人会宣称,观察到幽浮就是外星人或者来自未来的人们来访的证据(如果外星人在合理的時間内到达此地,他们则需要超光速旅行,這样两种可能性其实是等同的)。

  然而,我认为,任何外星来的或者来自未来的人的造访应该是更加明显,或许更加令人不悦。如果他们有意显灵的话,为何只对那些被认为不太可靠的证人进行?如果他们试图警告我們大难临头,這样做也不是非常有效的。

  一种对来自未来的访客缺席的可能解释方法是,因为我們观察了過去并且发现它并沒有允许从未来旅行返回所需的那类卷曲,所以過去是固定的。另一方面,未来是未知的开放的,所以也可能有所需的曲率。這意味着,任何時間旅行都被局限于未来。此时此刻,柯克船长和星际航船沒有机会出现。

  這也许可以解释,当今世界为何還沒被来自未来的游客所充斥。但是如果人们能够回到以前并改变歷史,则問題就不能回避。例如,假定你回到過去并且将你的祖先在他仍为孩童时杀死。這类佯谬有许多版本,但是它们根本上是等效的:如果一個人可以自由地改变過去,则他就会遇到矛盾。

  看来有两种方法解决由時間旅行导致的佯谬。我把一种称为协调歷史方法。它是讲,甚至当时空被卷曲得可能旅行到過去时,在时空中所发生的必须是物理定律的协调的解。根据這一观点,除非歷史表明,你曾经到达過去,并且当时并沒有杀死你的祖先或者沒有任何行为和你的现状相冲突,你才能回到過去。况且,当你回到過去,你不能改变歷史记载。那表明你并沒有自由意志为所欲为。当然,人们可以說,自由意志反正是虚幻的。如果确实存在一套制约万物的完整的统一理论,它也应该决定你的行动。但是对于像人类這么复杂的机体,其制约和决定方式是不可能计算出来的。我們之所以說人们具有意志,乃在于我們不能预言他们未来的行动。然而,如果一個人乘火箭飞船出发并在這之前已经回返,我們就将能预言其未来行为,因为那将是歷史记载的一部分。這样,在這种情形下,時間旅行者沒有自由意志。

  解决時間旅行的其他可能的方法是称为選擇歷史假想。其思想是,当時間旅行者回到過去,他就进入和歷史记载不同的另外的歷史中去。這样,他们可以自由地行动,不受和原先的歷史相一致的约束。史蒂芬·斯匹柏十分喜爱影片《回归未来》中的创意:玛提·马克弗莱能够返回而且把他双亲恋爱的歷史改得更令人满意。

  選擇歷史假想听起来,和理查德·费因曼把量子理论表达成歷史求和的方法相类似,這已在第四章和第八章描述過。它是說宇宙不仅仅有一個单独歷史,它有所有可能的歷史,每一個歷史都有自己的概率。然而,在费因曼的设想和選擇歷史之间似乎存在一個重要的差别。在费因曼求和中,每一個歷史都是由完整的时空和其中的每一件东西组成的。时空可以被卷曲成可能乘火箭旅行到過去。但是火箭要留在同一时空即同一歷史中,因而歷史必须是协调的。這样,费因曼的歷史求和设想似乎支持协调歷史假想,而不支持選擇歷史假想。

  费因曼歷史求和允许在微观的尺度下旅行到過去。我們在第九章看到,科学定律在cpt联合对称下不变。這表明,一個在反时钟方向自旋并从a运动到b的反粒子還可以被认为是在时钟方向自旋并从b运动回a的通常粒子。类似地,一個在時間中向前运动的通常粒子等价于在時間中往后运动的反粒子。正如在本章以及第七章讨论過的,“空”的空间充满了虚的粒子和反粒子对,它们一道出现、分离,然后回到一块并且相互湮灭。

  這样,人们可以把這对粒子认为是在时空中沿着一個闭合图运动的单独粒子。当对子在時間中向前运动时(从它出现的事件出发到达它湮灭的事件),它被称为粒子。但是,当粒子在時間中往回运动时(从对湮灭的事件出发到达它出现的事件),可以說成反粒子在時間中向前运动。

  在解释黑洞何以发射粒子并辐射(见第七章)时认为,虚的粒子/反粒子对中的一個成员(譬如反粒子)会落到黑洞中去,另一個成员留下来,失去和它湮灭的伙伴。這個被抛弃的粒子也可以落入黑洞,但是它也可以从黑洞的邻近挣脱。如果這样的话,对于一位远处的观察者,它就作为从黑洞发射出的粒子而出现。

  然而,人们对于黑洞辐射的机制可有不同的却是等价的图像。人们可以把虚对中的那個落入黑洞的成员(譬如反粒子)看成从黑洞出来的在時間中往回运动的粒子。当它到达虚粒子反粒子对一道出现的那一点,它被引力场散射成从黑洞逃脱的在時間中向前运动的粒子。相反地,如果是虚对中的粒子成员落入黑洞,人们可以把它认为是从黑洞出来的在時間中往回运动的反粒子。這样,黑洞辐射表明,量子理论在微观尺度上允许在時間中的往回运动,而且這种時間旅行能产生可观测的效应。

  因此产生這样的問題:量子理论在宏观尺度上允许人们可以利用的時間旅行嗎?初看起来应该是可以的。费因曼歷史求和的设想是指对所有的歷史进行的。這样,它应包括被卷曲成允许旅行到過去的时空。那么,为什么我們并沒有受到歷史的骚扰?例如,假定有人回到過去,并把原子弹秘密提供给纳粹?

  如果我称作时序防卫猜测成立的话,這些問題便可以避免。它是讲,物理学定律防止宏观物体将信息传递到過去。它正如宇宙监督猜测一样,還未被证明,但是有理由相信它是成立的。

  相信时序防卫有效的原因是,当时空被卷曲得可以旅行到過去时,在时空中的闭圈上运动的虚粒子,在時間前进的方向以等于或者低于光速的速度运动时,就会变成实粒子。由于這些粒子可以任意多次地绕着圈子运动,它们通過路途中的每一点许多次。這样,它们的能量被一次又一次地计算,使能量密度变得非常大。這也许赋予时空以正的曲率,因而不允许旅行到過去。這些粒子引起正的還是负的曲率,或者由某种虚粒子产生的曲率是否被别种粒子产生的抵消,仍然不清楚。這样,時間旅行的可能性仍然未决。但是我不准备为之打赌,我的对手或许具有通晓未来的不公平的优势。

  第十一章物理学的统一

  正如在第一章中所解释的,一下子建立一個包括宇宙中每一件东西的完整的统一理论是非常困难的。取而代之,我們在寻求描述发生在有限范围的部分理论方面取得了进步。我們忽略了其他效应,或者将它们用一定的数字来近似。(例如,当我們用化学来计算原子间的相互作用时,可以不管原子核内部的结构。)然而,最终人们希望找到一個完整的、协调的、将所有這些部分理论当作它的近似的统一理论。在這理论中不需要选取特定的任意数值去符合事实。寻找這样的一個理论被称之为“物理学的统一”。爱因斯坦用他晚年的大部分時間去寻求一個统一理论,但是沒有成功,因为尽管已有了引力和电磁力的部份理论,但關於核力還知道得非常少,所以時間還沒成熟。并且,尽管他本人对量子力学的发展起過重要作用,但他拒绝相信它的真实性。看来,不确定性原理還是我們在其中生活的宇宙的一個基本特征。所以,一個成功的统一理论必须将這個原理合并进去。

  正如我将描述的,由于我們对宇宙知道得這么多,现在找到這样的一個理论的前景似乎是好得多了。但是我們必须小心,不要過份自信——我們在過去有過错误的奢望!例如,在本世纪初,曾经以为每件东西都可以按照连续物质(诸如弹性和热导)的性质予以解释。原子结构和不确定性原理的发现使之彻底破产。然后又有一次,1928年物理学家、诺贝尔奖获得者马克斯·玻恩告诉一群来哥丁根大学的访问者:“据我們所知,物理学将在6個月之内结束。”他的信心是基于狄拉克新近发现的能够制约电子的方程。人们认为质子——這個当时仅知的另一种粒子——服从类似的方程,并且這是理论物理的终结。然而,中子和核力的发现对此又是当头一棒。讲到這些,在谨慎乐观的基础上,我仍然相信,我們可能已经接近于探索自然的终极定律的终点。

  在前几章中,我描述了引力的部分理论即广义相对论和制约弱、强和电磁力的部分理论。這后三种理论可以合并成为所谓的大统一理论(gut)。這個理论并不令人非常满意,因为它沒有包括引力,并且因为包含譬如不同粒子的相对质量等不能从理论预言,而必须人为選擇以适合观测的一些量。要找到一個将引力和其他力相统一的理论,困难在于广义相对论是一個“经典”理论;也就是說,它沒有将量子力学不确定性原理合并在裡面。另一方面,其他的部分理论以非常基本的形式依赖于量子力学,所以第一步必须将广义相对论和量子力学结合在一起。正如我們已经看到的,這能产生一些显著的推论,例如黑洞不是黑的;宇宙沒有任何奇点并且是完全自足的、沒有边界的。

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