数学和物理学的区别,为什么可以穿越未来,却不可以回到过去?
“历史将会改变。”——回到未来
《回到未来》这部电影是80年代比较有代表性的科幻穿越题材,主要讲述了一个回到过去纠正历史错误的故事,相信很多人有看过!
就算没有看过这部影片,甚至你平时对科学不怎么感兴趣,但我相信你在生活中应该为某件事后悔过,甚至幻想回到过去扇自己一巴掌!并且改变你之间犯的错误。除了回到过去,有些人还想穿越到未来,看看自己或者后代的样子,并且试图通过调整现在,来改变自己或后代未来的命运。
穿越时空对每个人来说,都是非常诱人的一件事!
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那么在物理学中穿越时空有可能吗?首先,时间旅行不是人类的幻想,也不是科幻小说虚构出来的题材,而是有一定的科学理论为其支撑。而且在科学中,时间旅行是一件我们不论做什么都无法阻止的事情。
因为不管我们处在何种状态,不管我们是静止,还是加速到接近光速的状态,在我们自己所在的参考系中,我们的时间总是以同样的速度在流逝,你的一秒还是你认为的一秒,你能活100岁还是100岁。
但是你的1秒却不等于静止状态观察者的一秒,你的100年可能等于别人的500年,甚至更长。
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还有,我们知道光子或者任何无质量粒子,它们都以光速运行,在它们看来时间是不流逝的,也就是时间是静止的,而且在它们的运动方向上,不管多远的距离都没压缩到了一个点上,光子从被发射到被吸收是瞬间完成的。光子也体验不到自己旅行的过程。
但在我们外部的观察者看来,光子在传播的过程中是要花费时间的,时间长短只跟距离有关。
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除了光子和无质量的胶子以外,宇宙中的大部分物质是由质量的,运动速度总是被限制在低于真空中的光速。而且不管我们的运动状态如何,不管以多快的速度在运动,光速对我们来说都是恒定不变的。
光速不变原理就为我们带来了一个十分有趣的结果,假如你正在观察一个相对于你运动的人,那么在你看来他所经历的时间会比你的慢。
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关于时间膨胀的理解,我们常会类比一个“光钟”,这个“光钟”的工作原理是光子通过上下反射一个循环来计时,当“光钟”处于静止状态的时候,从下到上再返回下,我们计时为1秒,但是当“光钟”运动起来以后,在我们静止的观察者眼里,光子的路径就会变长,如果光速不变的话,是不是时间就变慢了。
同样的,由于运动是相对的,在运动的观察者眼里,我们静止的时钟也会变慢,那么到底是谁的时钟变慢了?到底是谁的时间发生了膨胀?到底是谁变老了?
这个问题就是爱因斯坦"孪生佯谬",简单的回答是,如果我们选择一个共同的参考系(地球作为参考系)的话,然后以相同的参考系结束运动,那么旅行的人时间就会变慢,而和共同参考系保持相对静止的人,时间则以正常的速度流逝。
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还有另外一种解释就是,相对论效应在惯性系下才存在同等的意义,也就是没有哪个参考系优于另外一个参考系,但是这里不包括非惯性系,所以飞船在远离地球,并且返回的途中经历了加速、减速、再加速的过程,所以飞船上的人不是一个惯性系,因此是地球上的人老的更快,而飞船上的人则发生了时间膨胀效应。
那么,如果你想要穿梭到未来,则需要去遥远的地方旅行一次,并且加速到接近光速,并以这个速度旅行一段时间,然后返回最初的起点。那么你就有可能穿越到未来的几个月、几十年、甚至是几百年。
只要你的飞船有足够的能量,你就可以随心所欲地旅行到未来。
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但是想要回到过去就没那么简单了。狭义相对论,或者说运动和时空之间的联系,只可以让我们进入未来。但是想要回到过去,就需要考虑广义相对论了,或者是时空和物质(能量)之间的基本关系。我们知道,时间和空间是不可分割的整体,能量的存在可以使其发生弯曲变形。
据我们目前所知,整个可观测宇宙的时空在整体来看是十分平坦的,没有任何可观测的曲率,也没有任何形状或者循环模式。
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但是在广义相对论的数学解中,我们可以回到过去。如果宇宙的空间是一个闭合的循环往复式的空间,你朝一个空间方向运动很长时间,那么你就可以回到最初的起始点,例如:你在麦哲伦在地球的大海上航行,最后证明的地球是个球一样,那么封闭循环的宇宙空间也是一样的。
在这个数学解中,不仅空间可以这样循环,时间也可以。这就说明,我们可以回到过去。
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因此爱因斯坦就设想了一条时空隧道,通过强大的能量,将时空折叠起来,我们人类通过中间的虫洞就可以回到过去。
但是我们要清楚的是,数学上可行,不一定在物理上可见。因为数学并没有描述真实的宇宙,它只是我们人类理解宇宙的一个工具而已,宇宙也不一定要按照所有的数学模型来设计自己。但物理学却不一样,物理必须遵守客观事实,遵守宇宙的客观规律,不能想当然。
如果我们想穿越到未来,高速运动就可以实现,但想回到未来不仅受到了宇宙法则的限制,而且还会造成因果定律的混乱。
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假如我们回到过去并且改变的历史,或者是你回到了过去,阻止了你父母的相识、相爱,这就明显违背了因果关系。并且制造了一个时间悖论。
所以时间可以循环的数学解在现实宇宙中是不存在的。我们的宇宙是建立的物理学的基础上,而物理学只不过是数学解方案中的一个特殊的子集,宇宙并不需要完全按照数学规律来发展。时光倒流的想法虽然很诱人,但过去的终究已经过去,无法再去改变和挽回,宇宙并没有给我们重来和改错的机会,所以,小心行事,万事三思而后行。
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