霍金:未来,你可以真的来一场穿越时空的爱恋

远读重洋2019-02-07
今天,我们就一起来看一看,霍金眼中的时空旅行,为什么是可能的?

编者按:本文来自微信公众号“远读重洋”(ID:readabroad),作者 ReadAbroad。36氪经授权转载。

在很多影视作品里,“回到过去”是一个怎么演都能演出花样的题材。

比如岩井俊二和周迅的电影《你好,之华》,讲述了一场通过书信往来追忆青春年华的情感碰撞。

比如佟丽娅和雷佳音的《超时空同居》,穿梭在 1999 和 2018 年之间的喜怒哀乐。

比如《盗梦空间》里穿越多层梦境的自我救赎。

想要真正地回到过去,扭转记忆,改变历史,是不是永远都是一场不可能实现的梦呢?

科学家霍金说:不,这是可以实现的。

在霍金 2018 年最新出版的遗作《终极问答》(Brief Answers to the Big Questions)当中,霍金告诉我们,时空旅行、穿越到过去,是人类很有可能实现的梦想。

今天,我们就一起来看一看,霍金眼中的时空旅行,为什么是可能的?

01.时空旅行:万事俱备,只欠东风

霍金的看法,其实跟爱因斯坦是针锋相对的。

爱因斯坦认为,时空旅行不可能。在相对论当中,速度越快,时间过得越慢。只有当一个人的速度超过了光速,他才能逆转时间,回到过去。

而任何一个有质量的物体,想要加到光速几乎都是不可能的,更别说超越光速了。所以爱因斯坦在 100 多年前,就给时空旅行的想法判了死刑。

但是霍金觉得这可未必,而且实现这个梦想的方式不止一种,起码有两种。

一种是“新能源”加速,另一种就是构造虫洞

所谓的新能源,是一种叫做“宇宙弦”(cosmic string)的东西。

一些科学家认为,从炙热的宇宙大爆炸发展到今天,宇宙中形成了一些时空的“裂缝”,它们像水冻成冰的时候,不同的部分可以朝着不同的方向去冻结,就像家里装修从两头往中间铺瓷砖,铺到中间总有不合适的地方,所以就会产生裂缝。

这些裂缝是一维的,只有长度,没有宽和高,像一根细细的琴弦,所以叫宇宙弦。

这些弦内部的张力是我们无法想象的,就像拉伸橡皮筋儿的时候,皮筋内部的张力。霍金说,宇宙弦内部的张力,可以达到10 万亿亿亿吨的量级,1 的后面 29个 0。

如果把太阳像弹珠一样放在宇宙弦的弹弓上,发射出去,整个太阳从 0 加到时速 100 公里,只需要 0.03 秒。所以如果人类未来可以利用宇宙弦的话,是有可能达到极高的速度,穿越回过去的。

但是这套做法看上去还是有点没边儿,感觉离实际应用还很远。所以除了加速之外,还有一种办法,就是缩短路径,把遥远的时空“掰弯”,然后通过一个管道穿越回去,比方说“虫洞”。

简单地说,虫洞就是“黑洞+白洞”。黑洞往里吞东西,白洞往外吐东西,可以类比成一正一反的两个漏斗,把漏斗的尖儿对起来,这样黑洞进,白洞出,就从一个时空到了另一个。

科学家到现在也还没有发现虫洞,凭什么说这么做就是可行的?

因为“构造”虫洞有一个条件,就是“能量密度为负”,而这个条件人类已经通过实验给做出来了,这个经典的物理学实验所产生的效应,叫卡西米尔效应(Casimir effect)。

一个叫卡西米尔的科学家,拿两块金属板放在真空里,挨得特别近,几乎都要贴上了。

就这么普普通通放着的两块板子,也没有通电,它俩会自己往一块儿吸引,越挨越近。这就是卡西米尔效应。

如果两板之间的距离只有 10 纳米,卡西米尔效应可以产生 1 个标准大气压的压强(注意金属板周围并没有空气)。

为什么会出现这种现象?因为真空里不是空的,充满了虚粒子对,它们即生即灭,在两个金属板外面的真空里,各种各样的虚粒子对都有,它们有着不同的波长和频率;而在两个金属板之间的窄缝里,只有某些波长的粒子对出现。所以外面多里面少,金属板就会受到“往中间挤”的压力,越挨越近。

这个实验证明了,看不见摸不着的虚粒子对真实存在,而且证明了,“小尺度”的负能量密度是可以实现的。因为金属板外侧大片真空的区域,能量密度为 0,还能把板子往里挤,所以两板之间的缝隙,能量密度一定就是负的。

这就说明构造虫洞的条件有了。但是怎样通过“负能量”(negative energy),打造一个能让人钻过去的“大尺度”虫洞?这是未来要解决的问题。


在书里,霍金说有一件事儿也让他很困惑:既然虫洞是有可能出现的,为什么我们却没有见到一个从未来“穿越”回到今天的人呢?

霍金说这事儿只能猜了,一个可能的原因就是:从未来穿越回到的地方,可能还是未来。一个公元 3000 年进入虫洞的人,他回到了 2500 年,跟 2018 年没什么关系。因为可能只有到了那时候,时空穿梭的条件才是成熟的。

而且时空穿梭还有一大堆的悖论没有解决。比如一个人坐上超级火箭穿越回到过去,他回到了火箭发射之前,杀死了自己,阻止火箭发射升空,这还怎么搞?甚至你穿越回自己出生之前,杀死了爹妈,怎么破?

有两种解决办法:

一种观点认为,我们的宇宙有一种时序保护机制(Chronology Protection Conjecture),历史是连续的图景,不能被肆意破坏。

另一种观点更疯狂一些,你穿越虫洞,回到的不是“我们这个宇宙”的历史,而是回到了另一个宇宙的历史,也就是穿梭在“多重宇宙”之间。

可爱的霍金还“亲手”做过一个实验,2009 年的时候,他在剑桥办了一个 party,邀请时间旅行者们来观看一部关于时间旅行的电影。为了“保证”现场只有时间旅行者参加,所以他事先并没有发出邀请函,直到 party 结束才把邀请发了出去。

在举办 party 的那一天,他坐在学校里等着,结果一个人都没来。霍金很失望,但他一点儿也不觉得奇怪,因为他证明了:如果爱因斯坦的广义相对论是正确的,在能量密度为正的地方,时间旅行就是不可能的。

你看,大物理学家也有这么顽皮的一面。

02.人间不值得,太空走一波

在这本书《终极问答》当中,霍金还想跟我们聊聊太空探索的意义。

作为一个宇宙学家,他对今天美国太空探索事业的发展挺不满意的。

1969 年,阿波罗 11 号登月成功。

1970 年,美国航空航天局(NASA)拿到的预算占美国 GDP 的 0.3%。

而 2017 年,这个比例下降到 0.1%。

很多人觉得太空探索很烧钱,但再烧钱它也只占到国民财富的一点点,而它的意义却是无法替代的。

所有好的投资不会只有短期投资,至少得是长短结合的,甚至把长期投资放在最大的一个篮子里。

而宇宙,就是我们人类对未来的长期投资。

霍金说:


未来 30 年内,我们可以在月球上建立基地;


未来 50 年内,人类可以登陆火星;


未来 200 年内,人类还可以去探索其他行星的卫星……

有人还是觉得,解决现在地球上的问题很重要:粮食、水资源、气候变暖、能源危机……

霍金说,当然,这些很重要,但是我们能不能给太空探索多拨一点钱?哪怕是 1% 的四分之一,这个要求很过分吗?

而且钱还不是最重要的。重要的是政府重视太空探索,会极大地激发普通民众对宇宙的热情,而只有更多的人对宇宙充满了好奇和向往,才会有更多人愿意研究宇宙,推动宇宙科学的发展,出现下一位“爱因斯坦”的可能性才会大大增加。霍金亲眼见证了,我们今天很多了不起的大科学家,都是受到了当年阿波罗登月计划的鼓舞,才决定投身太空研究的。

霍金说自己做科普,他并不希望所有人都来学宇宙学和理论物理,但如果大家都去报考别的学科了,宇宙学还怎么发展呢?

他一直都相信一件事:不去太空,人类就没有未来。

在这本书里,霍金对人类在地球上未来的生活,抱着比较悲观的态度。我们不知道这跟他这么多年疾病缠身的影响有没有关系,但是在这本遗作《终极问答》当中,当他谈到地球上人口太多的问题,谈到未来人工智能取代人类的问题,霍金的态度跟之前我们在媒体上听到的,并没有什么不同。


他的立场是很坚定的:不要把鸡蛋都放在地球这一个篮子里,很危险;要对人工智能的发展加以约束,不然同样会很危险。

你可以看出来,霍金和埃隆·马斯克应该算同一战队的,他俩的共识倒是不少。

可能是等不及美国政府出手探索太空了,霍金自己开始动手,他的眼光也没有局限在太阳系,局限在月亮和火星上面。

他发现就在离地球 30 光年的范围内,大概有 1000 颗恒星,霍金保守估计了一下,如果这些恒星当中哪怕只有 1% 像太阳,拥有一颗像地球一样的行星,那么人类的候选新家园至少就有 10 个。

霍金做了一个长期规划,未来的 200 到 500 年间,人类太空探索的目标应该放在这些星球上,载人的星际穿越也应该提上日程。

科学家已经发现,在离太阳最近的一个恒星系 ——半人马座 α 星的附近,至少有 1 颗类地行星可能适合人类居住。而半人马座α星到太阳的距离是 4.37 光年(40 万亿公里)。

按照传统航天器的速度,想要到达那里,至少需要 54000 年。所以探索半人马座 α 星需要更快的飞行器。

于是在 2016 年,霍金和 Facebook 的 CEO 马克·扎克伯格,还有其他科学家和投资人,一起搞了一个很酷的太空探索项目,叫“突破摄星”(Breakthrough Starshot)。

他们的目标是打造一款名叫“星片”(Star Chip)的光帆飞行器,重量只有 1 公斤,让它加速到 1/5 的光速(每秒钟 6 万公里)。这款飞行器用不了 1 个小时就可以到达火星。大概经过 20 年的飞行时间,就可以到达半人马座 α 星。

发射“星片”光帆的操作,就像往宇宙里“放风筝”,而风筝的动力来自地球上发射的激光,激光的功率高达上百亿瓦特,在传输的过程中,能量损失也很小。

这款光帆飞行器上装有各种各样的传感器,去探测那里有没有磁场,有没有构成生命的有机分子出现,再把各种数据通过另一束激光,传回地球做研究。

虽然霍金去世了,但是这个项目依然在稳步推进当中。今年 11 月最新的消息是,“突破摄星”已经得到了 NASA 的支持。

我们在有生之年,很可能见证“突破摄星”的成功,那将是人类第一次把文明的触角伸向星际之间,我们也有可能见证:人类第一次发现在太阳系外,适宜人类居住的星球。

霍金说:

16 岁那年,爱因斯坦幻想自己可以骑在一束光上面,而到了今天,我们就要把这个变成现实了,我们要驾着自己的光线去往其他星球。我们站在了新时代的门口。人类殖民太空不再是科幻小说,它正在变成科学事实。

人类作为一个独立的物种,已经生存了 200 万年的时间,而人类发展的速率一直都在稳步提升。如果上天允许我们,再活出下一个 100 万年,我们必将一往无前,去到无人涉足的太空之地。我希望这个过程一切顺利。我要求自己必须抱有这种期望。因为我们别无选择。

未来 100 年内,人类可以在太阳系纵横驰骋;
未来 500 年内,我们可以造访太阳系周围的恒星;
这一趟旅程,来回往返,可能至少 10 年。


船票已经备好,你准备好上船了吗?

这儿,霍金的遗作《终极问答》,我们就已经全部为你解读完毕了。

如果你是霍金的忠实粉丝,你可能发现,这本书里有不少的话题,是他早年的书里也曾经涉及过的,比方说《时间简史》里的黑洞;

在这本《终极问答》当中,有些段落甚至就出现在他的演讲和著作当中,比如 2017 年他的中文版著作《黑洞不是黑的》。《终极问答》里讲黑洞那部分,有整段整段的内容是从那里照搬过来的。这些都是后人整理、出版遗作的过程中,可能在所难免的一些重复。

但我依然会觉得《终极问答》这本书值得一读 ——

因为这是霍金离你最近的一次,他完整地回答了我们关心的 10 大终极问题;

这也是霍金离你最远的一次,因为他已经化作了天上的繁星。

最后,我想把霍金在书里的最后一段话送给你:

这里并不是故事的结尾,它只是我心中生命繁盛的开端,绵延几十亿年的一个开端。

我们永远也不会知道下一次革命性的科学发现会从何而来,会是谁的功劳。但是,为广大的青年读者洞开科学探索的激动与神奇,为他们创造接近科学事业的崭新道路,会让我们见证新一代爱因斯坦的诞生变得大为可能,无论她究竟是谁。

所以记得抬头看看天上的繁星,不要只盯着脚下的尘土。去理解你所看到的景象,对宇宙存在的至理充满好奇。做一个拥有旺盛求知欲的人吧。无论生活看上去多么艰难,总有一些事情你能够胜任,能够取得成功。重要的是不要轻言放弃。释放你的想象力,去打造属于你的未来!

This is not the end of the story, but just the beginning of what I hope will be billions of years of life flourishing in the cosmos.

And one final point—we never really know where the next great scientific discovery will come from, nor who will make it. Opening up the thrill and wonder of scientific discovery, creating innovative and accessible ways to reach out to the widest young audience possible, greatly increases the chances of finding and inspiring the new Einstein. Wherever she might be.

So remember to look up at the stars and not down at your feet. Try to make sense of what you see and wonder about what makes the universe exist. Be curious. And however difficult life may seem, there is always something you can do and succeed at. It matters that you don’t just give up. Unleash your imagination. Shape the future.

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