从物理学角度分析时空穿越的可能性

解润宇

【摘 要】时空观是关于时间和空间的看法和观点，是自然观的重要组成部分。由牛顿经典力学体系衍生出的绝对时空观使人们认识到世间一切皆在做机械运动。20世纪初相对论横空出世，从根本上改变了人们对时空的看法：时间、空间和物质是紧密联系、密不可分。但是时间和空间能像科幻小说里那样做到随意穿越吗？本文就時空穿越在现实生活中的可能性简要分析。

【关键词】相对论；、时空观；时空穿越

时空穿越到底存不存在呢，提到这个想法，我联想到几年前的一部美国大片《星际穿越》，我们来简单地讨论一下这部电影中关于时空穿越的理论意义和可行性，这个电影里面提到的几个物理概念，黑洞、虫洞、时光机器等，我们先对这些名词做一下解释。

黑洞是空间中有着强大引力的超高密度的天体，黑洞的特点就是有进无出。另外，因为没有光从黑洞逃出，故无法直接观测黑洞，但是从物体被黑洞吸入之前放出的紫外线、X射线等边缘信息可以知道黑洞的存在。

虫洞这一概念，最早是1916年由奥地利物理学家路德维希·弗莱姆首次提出的，1930年由爱因斯坦及纳森·罗森在研究引力场方程时假设的，认为透过虫洞可以做瞬时的空间转移或者做时间旅行。

关于虫洞存在着几种说法：一是虫洞是宇宙中相距遥远的两点间的一条捷径，就像一个苹果，虫子沿着苹果表面会走很远，可是如果虫子挖洞从苹果里面走就近多了，顾明思议，虫子为了抄近路而在苹果里挖的洞。二是虫洞是连接黑洞和白洞或黑洞与黑洞的管道，故在黑洞里能找到虫洞。

时光机器，简单点说就是能不受时间和空间的限制，在任意的时间地点，跃迁式地到达另外的时间地点。

而《星际穿越》这部电影里讲述了一队探险家利用他们针对虫洞的新发现，超越人类对于太空旅行的极限，从而开始在广袤的宇宙中进行星际航行的故事。

有人觉得时空穿越只是科幻电影小说里面的情节，在现实世界中可能实现吗？本文就时空穿越在现实生活中的可能性简要分析。

在物理学上，提到对时间和空间的研究，不得不提的两位科学家：牛顿和爱因斯坦。

在牛顿的时空观主要包含这两个方面：

1、同时性是绝对的

同时性指在不同地方发生的两件事情，对于任何惯性参照系来说它们必定是同时发生的，它是绝对并且无条件的。因此，两个钟表不管把它们放在任何地方，无论它们是否产生相对运动，钟表总是同步的。由此看来，牛顿的绝对时空观似乎是符合我们的生活常识。

2、时间是绝对的，空间也是绝对的

按照牛顿绝对时间和绝对空间的观点，时间和空间各不相关，而且时间和空间是脱离物质运动而存在的，即时间和空间只是单独的存在，这种存在不受周围任何事物的影响。[1]

牛顿的绝对时间观和绝对空间观是符合我们的生活经验的，并且适用于当时的科学实验，因而人们很容易理解和接受这种观点。在19世纪末，麦克斯韦电磁理论的发展起来，用牛顿的绝对时空观解释在微观高速下的运动的物体时出现其局限性，它无法解释微观高速运动的物体。正是在这种背景下，发生了现代物理学革命，相对论出现在人们眼前。爱因斯坦相对论革新了牛顿的时空理论，创建了新的时空学说。

爱因斯坦相对论对时空观点的革新包括以下几个方面：

1、同时性是相对的

依照光速不变原理，狭义相对论认为不同地方的两件事情，在某个惯性参照系中来看，它们是同时发生的，然而相对于这个惯性参照系运动的其它任何惯性参照系来看，它们就不是同时发生的。因而同时性是相对的，时间与物质运动有关。

2、时间是相对的，空间也是相对的

与牛顿的时空理论不同，爱因斯坦狭义相对论的时空观认为时间间隔是相对的，最能说明这一点的便是大家熟知钟慢。它主要说的是对于每一位观察者来说，都有他们自己的时间测度，这就反映了时间是相对的。空间也不是牛顿时空理论中所认为的那样是绝对的，空间也是相对的，尺缩效应中长度的相对性就证明了空间是相对的。

但是这些效应又是很难被日常生活中的我们所理解的，因为这些效应都是在速度接近光速的高速运动过程中产生的，而我们通常无法感知。

3.时间和空间是紧密相联的，并且与物质运动密不可分

在牛顿绝对时空观中，时间均匀流逝，空间则是个与任何事物无关的、静止不动的容器。而爱因斯坦狭义相对论的时空学说认为时间和空间不能各自独立存在，时间与空间是紧密联系的。一个物体的长宽高表明它的空间，可却是以时间为尺度的，时间是物质运动的连续，空间则是物质运动的延伸。离开物质运动而独立存在的时间和空间是毫无意义的。[3]

相对论颠覆了人类对宇宙和自然的常识性观念，提出了“时间和空间的相对性”、“弯曲空间”等全新的概念，那么时空旅行是否存在可能呢？

很多文献中提到旅行到未来[4]是有可能的，相对论显示，当你坐在一个时间机器里，它发射升空，加速到接近于光速后飞行一段时间，然后返回。基于相对论中时空相关性的原理，在你走出时间机器后，地球流过的时间比你在飞船里度过的时间更为长久。因此从你的眼光看来，你旅行到了未来，即在惯性参考系中动钟变慢，也就是钟慢效应。我们假设，有一个十米的加速走廊，进去之后速度会趋近于光速，那么当走进这个走廊后，其中的时间就相对外界的变很慢了，于是就出现了内部所感知到外部的未来时间了。

根据经典力学，以地球作为一个基点，距离地心的距离越近，时间受到的引力越大，那么时间弯曲程度越大，流逝的速度越慢；当时间机器远离地球，受到的地球的引力越小，时间受到的引力也越小，流逝的速度要加快，按照这样解释，这个旅行者当他返回的时候，已经回到了过去。所以这种解释是矛盾的。

那么，时空逆旅行是如何实现呢，科学家提出必须进行超光速[5]运行，但是相对论和目前的实验告诉我们，粒子可以加速到无限趋近与光速，但无论如何是达不到光速的。因为只有打破光速壁垒，在超光速成为可能的时候，才有可能实现逆时旅行，也就是回到过去。这似乎已经告诉我们，逆时旅行是不可能的。

但科学家们，又考虑到通过虫洞，来实现逆时旅行。[6]在虫洞理论中，由一个宇宙可能产生另一个宇宙，而且宇宙中也有可能有无数个这种微细的洞穴，它们可通往一个宇宙的过去及未来，或其他的宇宙。由此就实现了逆时的旅行。同时通过虫洞，能够一瞬间就能到达宇宙中另外的很遥远的地方，这就是所说的空间穿越。[7]

但是在许多研究和相关理论证明中发现虫洞结构极其不稳定，而且穿越者很难承受其中的辐射、引力等，所以通过虫洞进行时空旅行存在理论可能，但现实是很难实现的。

总而言之，目前越来越多的实验和现象表明，时空穿越理论上可能是能够实现，但在实际中，不管是穿越虫洞的苛刻条件、是逆时穿越的可能性、未来世界的不可预见性和因果律都很难被证明。以上就是我对时空穿越问题的一些看法。

【参考文献】

[1]王瑞、陈新亮.对爱因斯坦相对论变革时空观的思考

[2]郑庆璋，崔世治.相对论与时空 [M].山西： 山西科学技术出版社，2005.21.

[3]王鸿生. 科学技术史 [M] . 北京： 中国人民大学出版社，2011. 208.

[4]杨波. 时间旅行[ J] . 中国科技纵横， 2003， 11： 106-112

[5]刘天宇. “驾驶” 地球逃跑[ J] .大科技、科学之谜， 2008， 10： 55

[6]李林、单长吉、潘梦鹄.虫洞理论与时空穿越的问题探讨 （ 2011） 04 -0033-02

[7]梁子.天下奥秘 物理教学探讨