关于时间旅行,爱因斯坦说,我们能穿越到未来,但却无法回到过去

20世纪时期,有一位伟大的科学家,爱因斯坦研究出了狭义相对论,这个理论对于我们大多数人来说,既陌生又深奥,因为这个理论不是与我们日常所经历的生活息息相关,但大多数科学家已经接受了这样的理论,他们认为空间和时间是事物真实的维度。

Tips:阿尔伯特·爱因斯坦,现代物理学家。爱因斯坦开创了现代科学技术新纪元,被公认为是继伽利略、牛顿之后最伟大的物理学家。

时间旅行

任何事物在时空穿梭中都有速度的限制,不超过30万公里/每秒。而光在空无一物的空间中往往能够达到这个极限速度。

狭义相对论还提到当你穿越时空的时候,特别是当你相对其他物体的相对速度能够达到这个极限速度时,将会有令人惊讶的事情发生。比起被你远远落在身后的人来说,你会感觉到时间流逝得更慢。只有当你再一次回到这些人身边的时候,你才会注意到这种差别。

Tips:时空旅行,就必须从现有的四维空间中跳出来,到达其他维,然后再回来历史上的某一时间里,或到达未来的某一时间里。

举个例子,如果在你15岁的时候乘坐宇宙飞船离开地球,飞船的速度大约能够达到光速的99.5%。5年后,你已经20岁了,你回到了地球。你会发现当年和你同班的同学现在已经65岁了。因为速度够快,时间的流逝对你来说要慢得多,你在太空上的5年相当于地球上同学们度过的50年。这样的情形,就被称为时间旅行。

类似的时间旅行也发生在处于引力场的物体身上。爱因斯坦还有一个非常著名的理论,广义相对论。这个理论中谈到,处于引力场里面的物体感受到时间流逝的速度比远离引力场的物体要慢得多。因此,在引力最强的黑洞附近会出现各种各样的宇宙空间和时间的扭曲现象。

Tips:黑洞Black Hole是现代广义相对论中,存在于宇宙空间中的一种天体。黑洞的引力极其强大,使得视界内的逃逸速度大于光速。

那么我们能不能回到过去呢?你可能在很多科幻小说中看到过人类可以穿越回到过去,会遇到过去的自己。这是根本不可能发生的事情。从现实的角度来看,如果你生活在现在,你不可能穿越到过去见到你的父母,因为他们正和你生活在现在。

从科学的角度来看,基于相对论的原理,当你进行时间旅行的时候,以一个旁观者的视角来看待你,你的时间过得非常的缓慢,时光在你身上似乎是一个停滞的状态。但是,只有你比光速更快的话,你才能够让时光倒退。这似乎是现有的科学技术无法达到的。

时间的膨胀

虽然无法真正回到过去,但是时间的膨胀是存在的,我们的时间也可以比别人过得更慢。

Tips:时间膨胀是一种物理现象:两个完全相同的时钟之中,拿着甲钟的人会发现乙钟比自己的走得慢。这现象常被说为是对方的钟“慢了下来”,但这种描述只会在观测者的参考系上才是正确的。

爱因斯坦的理论研究深受现代物理学前辈的影响。其中一位著名的前辈就是牛顿,牛顿认为速度不是绝对的,而是相对的,所以在衡量速度时,必须加上相对于这个概念。

例如相对于一个静止的物体,一辆汽车正以40公里/小时的速度行驶。但是,如果说它的旁边有一辆沿着同一方向行驶的20公里/小时的汽车,它的相对速度就是20公里/小时。反过来,如果说它的旁边有一辆沿着相反方向行驶的20公里/小时的汽车,它的相对速度就是60公里/小时。

Tips:相对速度,指的是以非地面参照系为参照物(例如空气)所测量的速度。运动是绝对的,静止是相对的,宇宙间所有的物体都在运动。

还有一位物理学前辈是麦克斯韦,他发现不论从什么角度来观察,一些电磁波的速度一直固定在一个非常快的速度,比如光的速度保持在299,792,458米/秒。麦克斯韦的理论似乎和牛顿定律的背道而驰。如果牛顿定律具有真正的普遍适用性,那么为什么麦克斯韦观察到的这些是一个例外呢?这就让爱因斯坦陷入了思索中。

Tips:电磁波Electromagnetic wave是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波,是以波动的形式传播的电磁场,具有波粒二象性。

牛顿和麦克斯韦理论上的不一致可以用爱因斯坦的一个思想实验来进行验证。爱因斯坦想象自己身处一个火车平台,他看到了有两个闪电分别击中了他身体的一侧。而由于爱因斯坦正好处于两次闪电的中间点,他就能够同时看到身体两侧由闪电带来的光束。然而,如果此时正好有火车经过,而且火车上有人正以光速经过爱因斯坦,也看到了这个现象,那么事情就会变得更加的复杂。

Tips:光速(Lightspeed)是指光波或电磁波在真空或介质中的传播速度。真空中的光速是目前所发现的自然界物体运动的最大速度。如果乘坐光速飞船,从地球到月球仅需1.3秒。

如果按照相对论来讲,那么火车上的人不会同时看到两个闪电。因为从逻辑上来讲,相对位置更为靠近火车上的人的闪电会首先到达爱因斯坦的身侧。爱因斯坦和火车上的人对于光速的测量会在数量和幅度上呈现出很多差别,这与宇宙中一些已知的基本事实产生了矛盾。

爱因斯坦于是陷入了两难的境地,要不然就承认牛顿定律不完整,要不然就是说光速不是一个固定的数值。他想了又想,突然发现这两个概念可以通过对牛顿定律进行一个小的调整实现和谐共存。

Tips:按照爱因斯坦提出的四维空间划分,点是零维;两点之间的线是一维;无数条线组成的面是二维;在二维基础上加上高度,则是三维;三维加上时间就是四维。

为了避免出现测量中的差异,爱因斯坦为火车上的人增加了时间这一个维度,并且时间本身必须放缓用以补偿速度的降低,因此这样才能够让光维持一个恒定的速度。爱因斯坦将之称为“时间膨胀”,并且基于此新发现了“狭义相对论”理论。

时空维度扭曲

牛顿认为光是朝着一个方向运动的,然而,爱因斯坦却认为光是会随着速度的变化进行拉伸或者收缩。事实上,爱因斯坦认为两种变化其实是一种,因此应该被称为一个维度,而由这些维度一起形成了一种四维网络的连续空间,我们称之为时空。在时空之中,宇宙中的各个事件交替上演。

Tips:光量子,简称光子photon,是传递电磁相互作用的基本粒子,是一种规范玻色子。光子是电磁辐射的载体,而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。 光子静止质量为零。

爱因斯坦描述到,宇宙中一些大型的天体比如说太阳,不是用一种神秘的拖拽力让地球围绕在自己的周围,只不过是通过扭曲自身周围的时空维度线条,让地球不由自主地向太阳靠近。用我们现实生活中的一个例子来比喻,比如说现在有一个蹦床,一个保龄球从蹦床的上空掉落到蹦床的中间,如果蹦床上放置了一些石块,那么随着蹦床中间的网线塌下去,石块也会随之滚落到蹦床的中间。

Tips:时空扭曲,根据相对论的解释,当一个有质量的物体体积趋于0时,其引力会达到无法想象的地步,从而改变空间,导致光都无法在其空间里逃避,进而形成时空扭曲。

我们也可以用这样的例子来解释地球的引力,比如说我们是被固定在时空网线上的人,地球由于自身的重量让周围的时空线条发生了扭曲,我们也会向着坍塌的中心聚拢。不过,由于地球周围空间的坍塌角度不是十分均匀,当我们向着坍塌角度最大的中心点移动的时候,我们会感受到地球的引力在逐渐地变强,同时呢,移动的速度也就会越快。

也就是说,从高处自由落体到地球表面时,你会感觉到下落的速度变得越来越快。然而,根据爱因斯坦的狭义相对论来说,如果你穿越太空的速度越快的话,你穿越时间的速度反而越慢。这就意味着越接近地球表面时间过得越慢。

Tips:自由落体是指常规物体只在重力的作用下,初速度为零的运动。也叫做自由落体运动。自由落体运动是一种理想状态下的物理模型。

因为行星的质量有着差别,所以它们的引力强度自然也不一样,它们对物体施加的重力加速度也不一样。这也就意味着时间在这些行星上的流逝速度也是可变化的。这也是电影星际迷航中展示的景象。

当主角驾驶宇宙飞船降落到黑洞附近的星球上所发现的时间流逝与地球上有所不同。这个星球上的重力比地球大得多,因此,在这个星球上经过的一个小时约等于地球上的7年。

运动对时间的影响

要了解运动如何对时间产生影响,让我们回到最简单的计时机制上来。举个例子,让我们想象这样的一个场景:有两个人,一个人乘坐的宇宙飞船位于地球的大气层上空,而另一个人位于地球上一座小山的山顶。这两个人同时看到一个从太空中掉落到地面上,而这个跌落的男人随身携带一个光子时钟。

Tips:光子钟指的是通过记数一个光子在两镜面间往返的次数来测量时间流逝的一种时钟。光子钟使用快速光诱导的器件使其更加灵敏准确,是世界上最精准的钟,比铯原子钟要精确好几百倍。

当往下跌落的男人分别经过这两个人的身边时,他们分别看到了什么?这种情况就非常类似一个人在一辆行进中的火车上保持静止不动的状态,观察一个球在火车上的弹跳情况。

当这个男人从太空中掉落下来,时钟中的光子会朝着这两个观察者以三角形的角度开始移动,这意味着光线需要传播更远的距离,所需要的时间也会越长。延长的时间与掉落的速度形成正比,这也就是说山上的男人感受到时间的流逝速度比宇宙飞船上的男人感受到的速度要慢得多。当然,这样的差异是无穷小的,以纳秒来计算。

Tips:纳秒nanosecond,时间单位。一秒的十亿分之一,等于10的负9次方秒。光在真空中一纳秒仅传播0.3米。个人电脑的微处理器执行一道指令(如将两数相加)约需2至4纳秒。

无论是依赖于基本的电磁学还是复杂的牛顿运动定律来运转,每一个时钟都会受到时间膨胀的影响。事实上,生物进程都会减缓下来,这也就是为什么你的头会比你的脚年纪要大一些。

结语

关于时间旅行的作品也在不断地涌现出来,说明还有很多的人一直没有放弃对这个领域的探索,梦想着在未来的某一天我们能够驾驭时空,或者发现平行时空,为人类的生存寻找更多的可能性。

Tips:时空洞Wormhole又称爱因斯坦-罗森桥,也译作蛀孔。是宇宙中可能存在的连接两个不同时空的狭窄隧道。

希望看了这篇文章的你不要泄气,毕竟科学界的理论永远会随着人类认知和科技的发展层出不穷。虽然现在时间旅行只能是存在于文学或者影视作品中,看上去似乎是一个遥不可及的梦想。但是借用一句话,梦想总是要有的,万一实现了呢?


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