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物理上時間旅行有可能嗎?

2017/4/12 — 11:55

美劇 The Big Bang Theory 中的時光機
Youtube 截圖

美劇 The Big Bang Theory 中的時光機
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時光機、時間旅行永遠是大家憧憬未來或會出現的劃時代發明、科幻小說中接近不可或缺的元素。當中對大部份人來說回到過去的時間旅行必定比較吸引。試想像你可以隨意回到過去,修補過去一些自己(認為)錯誤/後悔的決定,好像 RPG 般重啟人生,人生有 take 2 那多好呢。

事實物理學上時間旅行又可不可行呢?雖然暫時尚未有確切答案,但小弟認為除了前往未來這個選項外,回到過去的時間旅行大概是不可能。霍金 (Stephen Hawking) 的看法相似,並提出時序保護假說 (Chronology protection conjecture) ,認為在宏觀世界物理定律必然會阻止時間旅行出現,還曾經做過實驗「證明」這個看法:

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即使回到過去真的有可能,時間旅行都未必會如小說/電影般可以隨意改變任何事物。個人傾向相信最多會好像《尋秦記》/《超時空攔截 Predestination》般,你自以為在改變歷史,但其實一切一早已經定好了。

(戴頭盔先︰以上為「個人意見,不代表所有物理學界立場」)

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時間旅行悖論

為何小弟如此認為?那是因為因果關係 (causality) 是理論物理學中一個很重要的考慮,甚至是根本的基礎。物理上說的因果關係除了狹義宗教上指人的行為、「報應」外,還包括自然世界萬物間的一切現象,探究一個現象/事件背後的成因、事物間的關係。如果真的可以任意改變歷史,那會產生很多邏輯悖論,好像祖父悖論 (Grandfather paradox)

不牽涉人為決定、自由意志的祖父悖論物理學例子就好像向蟲洞拋一個球,而蟲洞的出口就是幾分鐘前的時空,球出了蟲洞後撞番自己阻止自己跌入蟲洞那樣。

廣義相對論雖然容許回到過去這類封閉類時曲線 (closed timelike curves) ,但所有好像改變歷史這些會做成悖論的時間旅行在相對論理論上都不容許,這個是諾維科夫自洽性原則 (Novikov self-consistency principle) 。這個原則下只有《尋秦記》那類時間旅行理論上是容許的

平行宇宙可以解決悖論問題?

回到時空造成的邏輯問題,很多人會用平行宇宙 (parallel universes) 來解釋,好像下面叮噹第一幕的解釋(off topic: 其實大雄比大家公認中來得聰明,佢在小學生時已經會問這些問題)。「條條大路通羅馬」般,所謂回到過去只是去了平行宇宙的另外一個時空。

叮噹時光旅行之詮釋
網絡圖片

叮噹時光旅行之詮釋
網絡圖片

首先,從字面上嚴格來說,平行時空的定義就是平行,即宇宙間在時空上無任何交匯點。上面的例子物理學上用多重宇宙 (multiverse) 這個詞彙比較適合。(物理學上多重宇宙也分幾種,有機會再詳細談)

理論上這個解答又說得通嗎?在量子力學微觀世界中這種看起來很荒謬的邏輯悖論的確是有可能存在,就好像薜丁格的貓。但那不一定代表宏觀世界中都是如此。宏觀世界是怎樣建基於量子力學的詮釋,微觀世界怎樣演化出宏觀日常生活見到的世界。這個問題暫時尚未有答案。其中一個詮釋——多世界詮釋 (many-worlds interpretation) 如果正確,那這個解答才有可能說得通。

用超光速、多維時空、蟲洞可行嗎?

時間旅行邏輯上可能說得通,但理論上又可不可行呢?

將物件加速至超光速是最常見大眾認為「可行」的做法。可是相對論中最根本的基礎就是時空結構中無訊息可以以超光速傳遞,不存在瞬間效應。不理會這個時空結構,將相對論的公式放在超光速的情況下推論出有回到過去這個可能性本身就有問題。如果超光速真的有可能,那理論上首先應該回到起步點,重新探討時空的因果關係結構。而不是在時空的因果關係結構不變的假設下做任何推論,就好像當工序出錯時,無理由盲目相信最後出來的結果會沒問題。

除了「假設」相對論中超光速「成立」,用這推論回到過去的可能性之外,多維時空、蟲洞 (wormholes) 都是人們不時用來支持有回到過去可能性存在的理論。理論上又對不對呢?

雖然物理學中一直以來也有探討四維時空以外還存在額外維度的可能性,好像現時理論物理學中炙手可熱的弦理論(string theory),但物理學家口中說的額外維度絕大多數只限於類似三維空間的維度。之前網上很多人 share 和討論 Rob Bryanton 那段《Imaging the Tenth Dimension》youtube 片描述那種時空絕不是物理學家口中說的多維時空。類似時間的維度如果多過一個,無可避免會做成不可預測、違反因果關係這些問題 [1]

另一方面,蟲洞雖然是相對論中其中一個解,但事實上缺乏理據支持。原理上蟲洞是將一個順時的解和逆時的解,即黑洞 (black hole) 和白洞 (white hole) ,結合的解。雖然物理學上大部份理論個別看都是在時間軸上對稱不變,但違反了有關熵 (entropy) 的熱力學第二定律好像白洞這類逆時的解在現實宏觀世界上都不存在(雖然背後理論還是一個謎)。

退一步講,即使蟲洞、白洞理論上存在,自然界亦無任何天文現象可以產生白洞。連《Interstellar》的 Cooper 都說蟲洞不可能自然產生。個人認為人為做到出來的可能性更低,要知道宇宙中自然現象可以涉及到的能量是遠遠超出人為可以達至的範圍。而且蟲洞理論上還是一個非常不穩定的系統,在任何東西可以穿越蟲洞前它已經魂飛魄散。詳細物理學家點睇蟲洞存不存在可以參考 Kip Thorne 為《Interstellar》出的科普書 [2] 和《Scientific American》的文章 [3,4]

最後個人總結是回到過去這類時間旅行很大機會只是科幻小說/電影的產物,現實上可行的機會不大,雖然在還未有一套正確完整的量子重力 (quantum gravity) 論之前可能性仍然存在。

P.S.: RIP 黃易

註:
[1]  On the dimensionality of spacetime, Max Tegmark, Class.Quant.Grav.14:L69-L75,1997
[2] 《The Science of Interstellar》, Kip Thorne, W.W. Norton & Company Ltd, 2014
[3] Scientific American, How to Build a Time Machine, 1 February 2006
[4] Scientific American, Are Wormholes a Dead End for Faster-Than-Light Travel?, 2 February 2017

原刊於作者博客;作者 Facebook 專頁

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