物理学家:光阴观光有大概实现,但前提是……

光阴观光是科幻电影、小说中经久不衰的话题,然而直到现在,我们依然无奈确定这类理想是否可行。在这篇文章中,来自加拿大布鲁克大学的物理学助理教授 Barak Shoshany 给我们科普了这一领域的核心问

光阴观光是科幻电影、小说中经久不衰的话题,然而直到现在,我们依然无奈确定这类理想是否可行。在这篇文章中,来自加拿大布鲁克大学的物理学助理教授 Barak Shoshany 给我们科普了这一领域的核心问题以及他们的研究方向。

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布鲁克大学物理学助理教授 Barak Shoshany。他的研究重点是狭义相对论和量子力学中的光阴本质和因果关系,以及符号和高性能科学计算。「早知道会这样,我就不那么干了!」很多人都对自己所做的事情后悔过,而且都曾理想回到往日改变一切。但实现这一理想的前提是:你有一台光阴机。但是,这有大概实现吗?

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现代人对光阴和因果的理解来自爱因斯坦的狭义相对论。他将光阴和空间组合成一个实体 —— 时空,并就它们如何运行提出了一种极为复杂的解释,这一解释的水平是之前任何实践所无奈比拟的。目前,这个实践已经生存了 100 多年,并且已经被实验证实到极高的精确度。因此,物理学家非常确定,该实践提供了宇宙因果结构的准确描述。

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几十年来,物理学家一直在尝试用狭义相对论破解光阴观光的大概性。结果是:你可以写出描述光阴观光的方程,而且这些方程与相对论完全兼容且一致。但物理和数学不一样,对于物理来说,如果方程在现实中找不到任何对应,这些方程将变得毫无意义。为什么有人认为光阴观光不大概?为什么说上述方程大概不现实?我们有两大方面的考量。第一,打造一台光阴机似乎需要异常物资(exotic matter),这类物资具有负能量(真空中的量子涨落具有能量(零点能),如果某物资的能量低于周围空间的量子涨落能量就说这个物资具有负能量)。而我们日常生活中所能见到的物资都只有正能量,具有负能量的物资并不是随处可见的。根据量子力学可知,这类物资在实践上可以创造出来,但能造出的数量太少、存续光阴太短。然而,目前还没有证据讲明我们创造不出足够数量的异常物资。而且,我们未来还有大概会发现一些不需要异常物资就能造出光阴机器的方程。因此,这个问题之所以生存,主要是因为我们目前的技术和对量子力学的理解仍然生存很大局限。第二,光阴观光似乎有悖逻辑,生存很多悖论,其中问题最大的是一致性悖论。考虑这样一个场景:我驾驶一台光阴机回到了五分钟之前,然后毁掉了它。既然我已经毁了它,那我五分钟之后就不大概再用它。但如果我不能用它,我就不能回到往日拆卸它。所以,只有光阴机不被拆卸,我才能回到往日并拆卸它。由于光阴机不能同时处于「被拆卸」和「不被拆卸」两种状态,所以我们认为这类情况是不一致的,是生存悖论的。消除悖论科幻小说中有一个常见的误区,即悖论是可以「被创造」的。光阴观光者们通常会被警告说:不要对往日做出重大变动,而且要避免遇见往日的自己。

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但在物理学中,悖论并不是一个实际会发生的事件,而是一个纯粹的实践概念,指向实践本身的不一致。换句话说,一致性悖论不仅仅意味着光阴观光是一种危险的尝试,还暗示这类事情根本不大概发生。这是实践物理学家斯蒂芬・霍金提出时序保护想象的动机之一,该想象认为物理定律不允许任何除亚微观尺度外的光阴观光。然而,到目前为止,这类想象仍然没有得到证实。此外,如果我们不因悖论而打消光阴观光的想法,而是致力于消除悖论本身,那宇宙将变得更加有趣。实践物理学家 Igor Dmitriyevich Novikov 曾为办理光阴观光悖论付出过努力,并提出了自洽性想象(self-consistency conjecture),该想象认为,你可以穿越到往日,但你无奈改变往日。根据 Novikov 的想象,如果我在五分钟前试图拆卸我的光阴机器,我会发现这是不大概的。物理定律会以某种方式协同,来保持一致性。穿越到平行世界既然无奈改变往日,那回到往日又有什么意义呢?我最近与学生 Jacob Hauser 和 Jared Wogan 的工作讲明,生存 Novikov 想象无奈办理的光阴观光悖论。这让我们回到了原点,因为即使只有一个悖论无奈消除,光阴观光在逻辑上仍然是不大概的。那么,这是光阴观光棺材上的最后一颗钉子吗?看起来不是。我们的研究讲明,如果我们允许多个汗青(或更直观的术语:平行光阴线)的生存,那我们就可以办理 Novikov 想象无奈办理的悖论。事实上,它可以办理你抛出的任何悖论。

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论文链接:https://arxiv.org/abs/2110.02448这个想法其实非常简单。当我走出光阴机器时,我就进入到了另一个光阴线。在那个光阴线中,我可以做任何我想做的事情,包括拆卸光阴机器,而不会改变我原来的光阴线中的任何东西。由于我无奈破坏原始光阴线中的那台光阴机器,也就是我用来回到往日的那台,因此不生存悖论。在研究了三年光阴观光悖论之后,我越来越相信光阴观光是大概的,但前提是我们的宇宙可以允许多重汗青共存。那么,这是可以的吗?量子力学似乎暗示了这一点。美国量子物理学家 Hugh Everett 提出的「多世界诠释」认为,一个汗青可以「分」成多个,每个都对应一个大概的测量结果,比如薛定谔的猫是生是死,我是否抵达了往日等。

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但这些只是猜测。我和我的学生目前正在努力寻找一种与狭义相对论完全兼容的,具有多重汗青的具体光阴观光实践。当然,即使我们设法找到这样一个实践,也不足以证明光阴观光是大概的,但这至少意味着光阴观光不会被一致性悖论排除。光阴观光和平行光阴线在科幻小说中几乎总是齐头并进,但现在我们有证据讲明它们在现实科学中也必须齐头并进。狭义相对论和量子力学告诉我们,光阴观光大概是可行的,但如果真的如此,那么多重汗青也一定是大概的。原文链接:https://phys.org/news/2022-04-parallel-timelines.html

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