跑得比光速快,就能回到過去?科學家用黑洞解答「時空旅行」的最新真相

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【為什麼我們挑選這本書】時空旅行,或是穿越,是現在的小說、影劇和電影相當愛用的題材,你是否也常想起小時候看哆啦 A 夢,時光機穿梭在過去和未來之間的畫面?現在科技這麼發達,時空旅行何時將能成真?

本文選自《你也被唬弄了嗎?20 個最容易被誤解的科普知識》,作者軌道君(궤도)是年輕的科學知識傳播者,畢業於韓國延世大學天文宇宙學系與研究所,他日以繼夜地思考新點子,希望可以解惑大眾都想知道的事。(責任編輯:徐宇儂)

行至中年才陷入黃昏之戀的人們,經常會幻想:「年輕時的他,會是什麼模樣?」我認為,比起從肉體關係衍生出的好奇心,這樣的想像層次更高。那段我們失去的過往、來不及與你相遇的時光、還未擁有對方時,你的戀人會以什麼面貌、在煩惱什麼事情中,度過他的每一天呢?我腦中模糊地想起這些,思緒自然而然地飄到了未來,屆時的我們又會變成什麼樣子?

愛因斯坦相對論,是時間旅行的基礎?

前往未來的時間旅行非常簡單。市面上早已推出,只要開啟程式就會帶你到未來的時間旅行遊戲( 一玩起來就讓人忘記時間,抬頭一看,才發現兩個月過去了。如三大惡魔般的時間旅行遊戲:《文明帝國系列》、《足球經理系列》、《魔法門之英雄無敵系列》。) 。但實際上,這種方法還不足以納入時間旅行的範疇。倍感魅力的時間旅行, 應該由我們操縱時間,但在遊戲中卻無法這樣。 舉例來說,如果你搭乘時光機到十年後的未來,你的年齡應該與昨天一致。但若是透過這種容易上癮的電玩前往未來,你仍會遵循大自然法則慢慢老去。

為了實現未來的時間旅行,我們需要愛因斯坦的相對論 ,他早已提出兩種有模有樣的方法。像電影和漫畫中看到的,以使用者為中心的旅行方式,奉勸大家不要過於幻想。自從赫伯特.喬治.威爾斯(Herbert George Wells) 在一八九五年,首次將時光機的概念運 用在人類身上後,自此已過了一百二十多年,但直到現在,我們還是夢想能「砰!」地一聲瞬間消失後,隨心所欲地前往任何時空。然而現實是,一旦你消失後,就不能再度出現。

因為 在現代物理學中,沒有任何方法可以讓你消滅之後又重新復活,頂多只能讓你周遭的時間變慢。除了你之外,外面世界的時間會瞬間消失。 如果你真的想試一下,不妨參考下列內容:

1. 依據狹義相對論的原理,如果移動的速度快到接近光速,移動中的人感受到的時間會變慢。

2. 依據廣義相對論的原理,若靠近像黑洞重力極強的物體,時間也會變得比較慢。

只要利用上述兩種拖延時間的方法,就能前往未來。 換句話說,若是高速移動或從黑洞附近返回,時間會變得比別人慢。假設你在宇宙船上看了一年的漫畫,再健康地返回地球,你的朋友早就變成大你十歲的老人了。因為在這緩緩流逝的一年內,除了你以外,其他人都在須臾之間度過了十年的歲月。當然,想接近光速並非易事,而且去到黑洞附近後,也很難保證能安全返回。目前而言,能讓年輕的你前往未來的方式,只有這些了。

跑得比光更快,就能回到過去?

與去未來相比,回到過去當然更有趣。因為不管去了多遙遠的未來,只會被當作一隻傻呼呼的猴子。如果你到了科學極度發達、變成另一番天地的未來世界,或許短時間內會感到神奇,但除此之外,就什麼也沒有了。因此這裡跟你毫無關係,只是另一個觸不可及的世界。若是你想改變什麼,或得到實質上的好處,唯有回到過去,才是最佳的選擇。

可惜的是,要讓這個選擇變成現實,恐怕不容易。簡單點思考,根據狹義相對論的時間膨脹公式, 若以接近光的速度奔跑,時間就會愈變愈慢;在跑速到達光速時,時間反而會停止 若此時再加快速度,甚至超越光速的話,時間會不會倒流呢? 我真是想得太簡單了,人跑得再快,也比不上光速。不!應該說,能 比光移動更快的物質,本身就不存在 (除了未被發現的假想粒子「迅子」〔tachyon〕之外)。

宇宙的四維空間在膨脹或旋轉的情況下,或許轉得比光速更快(在旋轉的黑洞裡,偶爾會出現四維空間比光速旋轉更快的情況)。但這不算是物質,只能排除在外。 即使比光速更快的移動真的存在,時間也不會倒流,只會產生毫無意義的虛數 (在時間膨脹公式中,時間變成負數的話,會產生倒流現象)。 回到過去與前往未來的時間旅行完全不同,而無法回到過去,也與你的跑步實力毫不相關

DC 超人讓地球反轉,救死去的女友?

地球自轉一圈是一天,如果讓地球自轉速度變慢,這一天就會變得比較漫長,時間流動也會變慢。 若把地球反方向轉,是不是就能回到過去?DC 漫畫裡的超人也是這樣認為。

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一九七八年的電影《超人》,超人為了挽救意外死亡的女友,試圖讓地球反方向轉,想藉此展開時間旅行。 遺憾的是,實際上並不會因為改變地球自轉的方向,就能回到過去。 就算以接近光的速度繞著地球飛行,在狹義相對論的作用下,只有超人本人的時間會變慢。不過,也許失去心愛的人是令人不捨的事,所以電影的最後,超人還是讓時光倒流,回到過去並救回了女友。相反地,卻讓觀眾失去學習知識的機會。

話說到這,我已經可以看到,你對回到過去的時間旅行失去信心的樣子。 現在放棄還為時過早,關於回到過去的方法和理論,學者至今仍鍥而不捨地研究 。即使無法親自回到過去,但像偷窺狂一樣窺視過往,其實並非難事。對於每天都在觀測宇宙的天文學家,這又是習以為常的小事。

你現在看到的宇宙,是過去的畫面

換點簡單的方式來思考,假設有一個長得像屁股的行星,距離地球有一光年之遠,地球的光芒到達屁股行星需花費一年。換句話說,若是你現在朝著屁股行星的方向,脫下褲子跳起《蠟筆小新》裡小新的舞蹈,屁股行星上那些長得像屁股的外星人,即使拿起望遠鏡,也要一年後才看得到你的屁股。

相對地,在距離地球一億光年以外的某個行星上, 外星人若用一台超高性能的望遠鏡望向地球,看到了地球的「現在」,藉著剛才抵達地球的光芒,可以看到白堊紀恐龍正在玩耍的身影。 它們會以為現在統治地球的主宰,正是這些悠然自得又巨大無比的傢伙吧!至少在這一億年間,他們都堅信不移。

我們看到的宇宙景象總是過去的畫面 ,愈遙遠的地方,愈能看到更久遠的過往。連 現在灑落在你家窗邊的光線,也不是方才誕生的熱騰騰光芒,而是大約八分鐘前的陽光 。雖然時間不能倒流,但只要你 跑得比光速快 ,就可以在過去的光到達前,先占有一席之地。透過以前的光芒,窺探往昔的一切。 雖然無法用這個方法,讓你找回以前遺失的錢包,卻可以看到丟失的瞬間,再看看之後錢包遇到了什麼困境。

想回到過去,還是只能靠黑洞了?

接下來,讓我們正式回到過去吧!我們能使用的方式只剩下 時空扭曲 以相對性而言,最方便的途徑是利用黑洞。 這也意味著,剛才談到的方法純屬荒誕不經。

黑洞分為多種形態,這裡就不提複雜的名詞了。要前往時間旅行,我們只要記住以下兩種即可。 母胎單身黑洞不會旋轉,但以情侶模式誕生的黑洞則會旋轉。 母胎單身黑洞本來有個名字叫作 「史瓦西黑洞」(由德國天文學家卡爾.史瓦西(Karl Schwarzschild)發現),聽起來很複雜,所以我決定繼續稱為「母胎單身黑洞」。情侶黑洞則加一個字,稱為「大黑洞」(最早在一九六三年,由紐西蘭科學家羅伊.克爾〔Roy Patrick Kerr〕發現)吧!

彷彿站在險象環生的懸崖邊,不小心往前踩了一腳,整個人往下墜;在你一腳踏入黑洞附近,有一條宛如生死一瞬間的警戒線──叫作「事件視界」(event horizon)。 母胎單身黑洞的事件視界只有一個,大黑洞的事件視界卻有兩個。 即便母胎單身黑洞只有一個事件視界,一旦跨越這個門檻,只有死路一條。就算是開玩笑,若能打開黑洞的門,跨過那條警戒線,之後的一切只能任憑想像了。

我會被黑洞吸進去,還是能成功逃脫?

有趣的事情,要從兩扇門(事件世界)的大黑洞說起。理論上,這兩扇門分別位於黑洞的外側和內側。打開第一扇門走進去,可能沒有被瘋狂吸入。但打開第二扇門,應該就會出現跟母胎單身黑洞一樣的結果─被瘋狂吸入。在此之前,介於兩扇門之間,會發生趣味十足的事。

就像《哈利波特:消失的密室》,門與門之間的空間是未知的世界。雖然用門來比喻,但你可別以為兩者之間的空間,就像臥房與書房間之間的走廊。其實這個空間,反而更接近蛋殼和蛋黃之間的蛋白。藉此可以明白一件事, 這個立體空間本身是以光速以上的速度快速旋轉 ,就像遊樂園的旋轉設施,一站上去就頭暈目眩。同樣地, 進入旋轉空間的瞬間,就能轉得比光速快 。即使理論已經告訴我們,你不可能跑得比光速快,這個世界上沒有比光速更快的物質。不過讓你頭昏眼花的四維空間本身就轉得比光速快,所以你也在不得已的狀況下,移動得比光速快。

假設你站在大黑洞第一扇門前的時間,是地球時間的下午三點。打開門走進去,用比光速更快的速度轉了一圈後,出來時,你可能會回到上午十點的過往時空。而且 在你進入第一扇門時,若能掌握方向,不是朝第二扇門、而是往黑洞的外側轉去,你可能會獲得天大的好運。不但可以回到過去,還不會被黑洞吸進去永遠出不來,從此成為黑洞逃脫的幸運兒。

時間旅行、時光機根本不存在嗎?

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理論上看來似乎行得通,卻很難完全同意這種可能。 有一派人士主張無法用時間旅行回到過去,他們提出了各種反駁的證據 。其中最有力的一項,就是 我們至今從未見過未來的旅客 。如果在非常遙遠的將來,有位天才科學家發明了時光機,他一定會搭乘它回到過去,而我們應該可以在人類史上找到他留下的痕跡。當然,他可能藏得很隱密,躲起來偷窺,或把所有遇到的人都消除記憶。

不過,以常識來說,這個假設實在太費解。而且我想,科學家也不可能單槍匹馬前來。就飛機的例子來看,自從萊特兄弟(Wright brothers)首度飛上天空,每年都有超過一億名的旅客搭飛機。像時光機器這麼令人嘆為觀止的東西,若沒有包裝成旅遊產品,任誰也不信。而且 假設真的有時光機,來自未來的旅客中,難免有比較粗心大意的人會留下什麼線索吧?

單一宇宙陷時間悖論,那如果是多重宇宙?

但這個假設是在只有一個宇宙、也就是「單一宇宙」的條件下才能成立。可是 單一宇宙卻有可能陷入「時間悖論」──這個令人生畏的困境中 。舉例來說,你突然餓到頭昏眼花,煮了一碗泡麵來吃。吃完後,覺得泡麵實在太美味了,想再吃一碗,又懶得出門買。於是搭上時光機,回到「泡麵剛煮好端上桌,自己離開餐桌跑去洗手」的時間點,打算偷偷地吃掉那碗剛煮好的泡麵,再回到現在。然而當你回到過去,吃掉泡麵的前一刻,那碗泡麵就已消失不見。 你看似吃了兩次泡麵,實際上只能吃一次。 若是立刻去做胃鏡檢查,胃裡的泡麵該是一人份、還是兩人份? 在單一宇宙的情況下,無法做出明確的答覆。因為改變過去的瞬間,就會影響你所在的當下。

科學家用「多重宇宙」的理論解決了這個問題。實際上,宇宙並不是只有一個。 即使 回到過去,你到達的宇宙與你出發的宇宙長得極相似,事實上卻是另一個宇宙 。換個角度來看,你並不是回到可以改變你所在之處的過去,而是發生了「未來的你回到過去」的現象。這表示,你到達的地方是另一個未來。無論做了什麼改變,對你出發的現在不會造成任何影響。當下消失的只有你這個人本身,時間仍繼續流逝。 就算你回到過去並遇到父母或朋友,他們也不是你在原本宇宙中認識的人。 這個世界上有無限個宇宙,無限的你在無限的世界裡,和無限的人們建立了無限的關係。

這裡指的時間旅行,意味著你將走向另一個宇宙時空,而非回到你存在的過去。如此一來,可以站在時間旅行者的角度去思考這件事,時間悖論的問題解決了, 你吃的泡麵自然是兩人份 。你在原來世界吃的泡麵,會隨著你一起消失;而你抵達的新世界,吃下肚的泡麵也會繼續留在肚子裡。也就是說, 兩個宇宙都把泡麵送給你了

時光機非萬能,無法回到不存在的過去?

不過也有不同看法, 有人認為,不能光憑至今沒有來自未來的訪客這一點,就否決掉時間旅行的可能性 美國物理學家羅恩.梅里特 (Ronald Mallett,他奉獻一生來研究時間旅行)提出假設, 把時光機當作一種檢查哨 ,從最初時光機開始運轉的那一刻起,即把它當作回到過去的起點。這代表, 時光機開始運作之前的過去,是沒有時光機的時代 ;唯有時光機啟動後,才是迎來了自由穿梭於時空中的新時代。這麼看來,目前為止都看不到未來的旅客,也有道理。因為從未來的角度看,現在我們這個時代,正是他們無法回來的時代。

有趣的是,利用黑洞回到過去的時間旅行,也有相似概念。 你能回到的過去,是從黑洞誕生的那一刻起開始算的時間。在黑洞誕生並讓時空扭曲之前的時間,是你無法返回的過去。 假設現在的時間是下午一點,你透過早上七點才形成的黑洞回到過去,如此一來,雖然你可以回到早上九點,卻無法前往更早的凌晨五點。因為從黑洞的角度來看,早上七點以前的四維空間─這個概念本身就不存在。

所謂「時間旅行」,由你來定義

結束腦海中漫長的宇宙之旅,回到你唯一的世界吧! 值得慶幸的是,你不必擔心為過去或未來的問題,和戀人爭吵。總有一天你會遇到心愛的人,與他分享愛,結下愛情的果實,生下漂亮的子女。如此一來,你就可以告訴育兒而疲憊不堪的伴侶,這一段話:

「來不及與你相遇的過去,我迫切想要知道你的過去,謝謝你讓我看到這一切。」

透過一個長得與你極為相似的孩子,可以看到你的過去。在養育孩子的過程中,可以回想起早被遺忘的昔日時光,或許這才是真正的時間旅行。 最後,祝福大家都能攜家帶眷,一同走向幸福的未來。

(本文書摘內容出自《你也被唬弄了嗎?20 個最容易被誤解的科普知識》,由 臺灣商務 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題;首圖來源:pixabay。)

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