Re: [討論]時光旅行

[Xtaka ()]

: 推 Citral:我比較想知道...為什麼超越光速..就可以回到未來阿??        02/09 20:38

: → m16a218:C大的疑問也是我的疑問 XD                                02/09 21:06



恕刪大部分文章及推文。

這幾天翻了一些科普書，趁還有印象，來分享一下。


    首先愛因斯坦的狹義相對論裡有著「光速障礙」這個概念。將世上所有物質，包括

一切假設的、未經證實的粒子都區分成三種速度。一：低於光速。二：等於光速。三：

高於光速。光速是雙向障礙，原本比光速慢的物體，不可能加速至光速以上。而比光速

快的物體，則反之。狹義相對論中最重要的一個觀念就是：「光速與時間流動的速率相

同」。也就是說當你處於低於光速這個速度層面裡，不斷的增速，越趨近於光速，流動

的時間越慢。如果能夠加速至等於光速的那一刻，你所經歷的時間會處於靜止。而原本

處於「高於光速」的任何物體、粒子，它所經歷的時間是「反轉」的，時間軸是指向過

去。

    這樣的假設，讓絕大部分有想像力的人構築了時光機的夢想。如果我們能夠增加速

度至等於光速、甚至光速以上，接下來的可能結果，分兩點來說：

        一：若你加速至等於光速，時間相對於你靜止，於是你不再經歷時間的流逝。

            等到外界的時間流動了五百年、一千年後，你再減速至零。那你等於向前

           「跳躍」了五百年、一千年。

        二：若你加速至高於光速，時間是反轉的。假設我們不考慮你這原本在低於光

            速層面的個體，會否因時間反轉而你的身體機能呈現返老還童、或甚至回

            到誕生之前那不知道該稱作什麼的狀態。當外界的時間反轉至五百年前、

            一千年前，你再減速至零。那麼你就回到了五百年前、一千年前。


    這兩點是最初想像中的「時光旅行」。而且乍看之下，邏輯清楚嚴謹，並不違背物

理定律。然而愛因斯坦又提出，物體 (原本處於低於光速層面) 的速度越快，它的質量

便跟著增加。當速度趨近於光速，本身質量便趨近無限大。這個觀念讓「速度相加」定

律有所限制，無法突破光速障礙。試想，當你本身以二十九萬九千八百五十一公里的時

速前進，若你沿著行進方向向前投出一百五十公里的速球，第三者不就探測到比光速還

快的速度？其實，棒球的質量已經增加至極大值。根據 E = (1/2)mv^2 ，它能夠增加的

速度極小。永遠跨不過光速障礙。


    又假設，已經跨過光速障礙，來到光速障礙的另一邊 「高於光速」。理論上，這是

十分危險的。首先時間軸指向過去，你賴以推動火箭速度的動力會發生什麼事？難以預

料。第二，在高於光速此層面裡，能量損失越多，本身速度會越快。當能量完全損失時，

便會以無限大的速度運動。這樣的情況，就目前的科技水平，可稱作失去聯絡，亦即消

失。因為光速追不上你的速度，自然無法探查你的任何情況。


    那麼，「回到過去」顯然是不可行的。而 「向前跳躍至未來」 倒是有著愛因斯坦

的背書而得以證實。但其實，這也並不值得雀躍。因為目前人類能達成的最高速度，或

許是兩倍音速、也或許未來數十年後能達到十倍音速。但區區幾千公里的時速所能造成

的「時間延遲」，不過只數百萬分之一秒。科學家曾做過實驗。兩個原子鐘，一個放置

於地球，一個則放置於出任務的火箭上以高速繞太陽一周後返回地球。結果是兩個原子

鐘之間有著數百萬分之一的誤差。雖然這個值極小，但原子鐘的精準度能夠讓我們相信

「高速」是能夠造成「時間延遲」的。這讓時光機的夢想得以延續。但這項論點，跟平

行宇宙或多重宇宙還扯不上邊。除非未來的科學能夠解決光速障礙，那才要為接踵而來

的祖父悖論頭痛。難道你會在火箭筒未問世之前就擔憂手上的彈弓擊落頭上呼嘯而過的

飛機嗎？







    光會受到重力而彎曲，這是近來被多方證實的常識。但其實這是被簡化過的說法。

牛頓說萬有引力與兩物之間的距離平方成反比。而愛因斯坦的廣義相對論更加偉大，認

為重力是作用在物體所處的「空間」本身，使空間彎曲。例如原本平坦的彈簧床上壓著

一顆鐵球，鐵球的重量使平坦的彈簧床 (空間) 下陷 (彎曲) ，在這局部空間行走的光

線，便會沿著這空間的曲率彎曲。這個概念有助於我們理解黑洞。

    「黑」：

    黑洞字面上的「黑」，與其表面逃脫速度有關。地球表面的逃脫速度是每秒十一公

里，人類的太空梭搭載火箭向上衝飛時，只要超過逃脫速度便能夠穿越大氣層擺脫地球

重力。根據米契爾的計算，太陽表面的逃脫速度是每秒六百二十公里。若有一恆星，其

體積大過太陽五百倍而密度與太陽相等，則其表面逃脫速度將超過光速。那麼該恆星所

散發的光將無法逃脫其表面，也就是說在太空中，這顆恆星是黑色的或是隱形的。這個

論點在十八世紀時就被推論了出來。

    「洞」：

    就牛頓的理論，已可預測外太空「洞」的存在。一顆非常巨大的恆星爆炸後，其核

心的質量如果還在一臨界值以上，這個核心的重力會拉回爆炸而噴發出去的物質。這個

過程稱為塌縮。當恆星的半徑塌縮至原來的一半時，表面重力變成四倍。三分之一時，

則是九倍。當重力幾近無限大，連原子都被擠碎後，此時體積幾近於零。 D = M / V ，

密度也趨近於無限大。這時，在此重力場所及的範圍內，任何物質包括光線，都會被吞

噬而無法逃脫。於是令人不安且嘔心的「洞」字便得以得名。


    廣義相對論問世後，對黑洞的描述與性質更為完整。首先科學家計算出任何物體都

有一個 史瓦西半徑 ，此半徑會成為塌縮過程最終的黑洞的邊界。而邊界內的空間我們

假想成一個球殼，則此球殼稱為「事件視界」。意思是在事件視界內，就目前科學的任

何方法都無法探查到發生了什麼事件。因為逃脫速度超過光速。

    現在假設有一個力量不斷的壓縮地球，使地球的半徑不斷塌縮。當地球半徑小至 史

瓦西半徑 以下，此時便不再需要外力，地球會不斷的自動收縮。最終形成黑洞。而相當

於地球總量物質的物體，其 史瓦西半徑 不到一公分，也就是說若地球形成一個黑洞，也

只是一個小不啦機的微型黑洞而已。

    黑洞的最中心、最深處的地方被擠壓成為一個點，這個點稱為「奇異點」，奇異點

的體積無限小，密度無限大。重力無限大。而廣義相對論提到重力會彎曲空間。所以奇

異點所處的空間是無限彎曲的。而由於光在無限重力的影響下，再無任何動作呈現靜止

狀態，於是時間已經結束再無任何意義。

    這個奇異點的性質引起另一番科學家的討論，發展出一個決定時間箭頭的參考度數

「熵值」。熵值簡言之是系統內無序性的度量：

        1.  當系統內呈現最有秩序的時候，熵值最低。譬如52張撲克牌按照1~13、花

            色順序，整齊排好。則此撲克牌系統內的熵值最低。

        2.  當開始洗牌、切牌，撲克的順序逐漸變亂，也就是無序性逐漸上昇，此時

            熵值逐漸上昇。

        3.  當撲克牌洗到一定程度，我們認為再怎麼洗都不會更亂了。此時，我們稱

            此撲克牌系統的熵值為最大值。

    要使系統內的熵值降低，就必須要由系統外部作功給系統，將其恢復秩序。我們把

洗撲克牌這一個行為看作一個系統，而「洗牌」的動作視為系統內自然發生的事件，那

麼我們有意識的把無秩序的牌，排回按照 1~13 、 花色順序 的排列，就是外部對系統

作功。這個過程，讓熵值減小。

    科學家定義：「時間箭頭永遠指向熵值增加的方向」。將整個宇宙視為一個系統，

宇宙在大霹靂將生未生的那個瞬間，呈現安穩、靜止。體積在此時是無意義的，但

我們還是能夠認為那時的體積比現今小。大霹靂之時的熵值，雖然相較於當時體積，是

極大值，呈穩定狀態。而大霹靂之後，宇宙不斷膨脹，使得整個系統的最大熵值不斷上

昇。而實際熵值相對於最大熵值，便顯得小，形成所謂的熵隙。於是熵值開始流動向高

數值。許多科學家使用這樣的觀念來定義 「時間的開始」。

    現在普遍認為宇宙正在膨脹，不斷增加的空間讓最大熵值不斷上昇。而現在宇宙系

統的實際熵值上昇速度顯然跟不上因膨脹而最大熵值上昇的速度。所以現在的宇宙，在

時間和空間兩方面來說，都是沒有盡頭的。

    一派科學家認為宇宙會無止盡的膨脹，時間會永恆行進。一派科學家則認為，膨脹

終有停止的時候，這時，愛因斯坦的宇宙常數指出有股力量會與重力結合，加速整個宇

宙的收縮。 (註：這裡原PO我有疑惑，宇宙常數近來被證實是存在的，但它作功的方向，

也就是正負號，我搞不太懂。如果這裡是不正確的，請版友指證告知。)

    宇宙會收縮的這一派科學家，認為宇宙在收縮時，熵值或說熵隙的變化很值得探討。

史帝芬霍金曾經指出在收縮過程中，熵值會減少，由於時間箭頭永遠指向熵值增加的方

向。於是時間會反轉。雖然這跟時光旅行天差地遠，而後更多熵值的理論也證實霍金的

想法不夠完善。但霍金的假設讓時光旅行更形複雜：

              1.  假設我們清楚無誤的知道今天下午三點，宇宙會達到最大膨脹，然

                  後開始收縮。


              2.  在兩點五十九分五十九秒的時候，我們會認為離最大膨脹還有一秒

                  的時間。


              3.  兩秒過後...


              4.  我們會認為離最大膨脹還有一秒的時間，而現在的時間是兩點五十

                  九分五十九秒。


        這是因為三點一到的那個瞬間，時間已開始反轉，我們永遠不會有記憶經歷過

    三點的那一瞬間 (最大膨脹) 。雖然最大膨脹是步驟4的「未來」，但是由於時間箭

    頭的反轉，時間方向卻是朝著遠離「未來」行進。

        另一個觀點來看此情況，無論距離最大膨脹的那一瞬間有多近，都不會有任何的

    時間存在於最大膨脹之「後」，彷彿豎立起一道時間壁。那麼，這道時間壁便可以稱

    作時間的盡頭。


    這個想法的發展，令人不安。因為霍金的假設，不夠完善的地方在於他還需要一個獨

立於宇宙系統外的觀測點，來觀察宇宙時間的流動方向。這顯然是處於四維空間的我們無

法做到的。在宇宙系統內，我們無法分辨時間的流動方向。所以最大膨脹一直是我們所認

定的「未來」，而實際上宇宙已處於收縮階段，但是我們「誤以為」宇宙正在膨脹。這樣

的誤解，對時光旅行會有不可彌補的誤差。 (若時光旅行可行的話)






    現在話題回到我們之前感興趣的黑洞最深處的奇異點。愛因斯坦感到困惑，他不喜歡

這些時空中的洞。於是提出了 愛因斯坦 - 羅森橋 的純理論上的臆測。這項論點指出在

奇異點的另一端，是另一個平行宇宙的奇異點。愛因斯坦 - 羅森橋在理論上會是通往平

行宇宙的橋樑。但是實際上要做到，卻是困難至極。因為奇異點的體積是無限小，理論上

是不可能有任何物質可以通過的。

    愛因斯坦 - 羅森橋建構在史瓦西黑洞上，這類的黑洞是靜止的。1963年，數學家

Roy Kerr  透過愛因斯坦的方程式，預測了一種會旋轉的黑洞。這類黑洞的成因有可能是

雙星系統中的其中一顆恆星在爆炸後，還具有繞行原本雙星軌道的角速度。加上在塌縮過

程中體積減小得到的角加速度。根據 Kerr 的計算，旋轉黑洞的中心並不像史瓦西黑洞的

中心一樣 (一個零體積的點) ，而是環狀的。此環的厚度幾近零，密度幾近無限大。但是

此環的另一端仍然連接著平行宇宙的環狀奇異點。環的中央是空曠的空間，若找到巨大克

爾黑洞，太空船甚至有可能通過。但是，克爾黑洞的危險又比史瓦西黑洞來的高。克爾黑

洞在第一道事件視界之內還有著第二道事件視界，稱為科西事件視界。若我們航向這類黑

洞內部。第一個我們遇到的風險是在事件視界外層遭遇重力所引起的潮汐力。在抵達科西

事件視界後，外界的時間相對於你是無限快，幾乎所有的光線都同時抵達科西事件視界。

無限的光線受到擠壓發生藍位移，能量增高至一瞬間將太空船烤焦、摧毀。而這只是在宇

宙A所遭遇到的危險。當進入平行宇宙B，會發現無限大的重力將太空船扯著不放，要想脫

離宇宙B黑洞，必須以高於光速且高於脫離速度的速度通過科西事件視界及外圈事件視界。

雖然這些全都是理論上的研究推論。但... 實在是很欺負人吶～～







    「蟲洞」完全是理論上的東西。這個通道被推論為能夠連結「宇宙內兩個空間」、

連結至「平行宇宙」、連結至「過去與未來的時空」。這三大功能幾乎涵蓋了一切人們

對時光旅行的夢想。相較於時間延遲、突破光速障礙、通過黑洞奇異點等等時光旅行的

方法，蟲洞可說是目前最有理論支持且最後勢看漲的方法。理論上，整條蟲洞可以以一

種「異物質」(exotic) 撐著通道。異物質具有負質量、負能量，能夠支撐蟲洞。而異

物質也在科學家的實驗中證實且有可能被淬取、提煉。根據計算，要想維持一個一公尺

的蟲洞保持暢通，所需的異物質等於木星的質量。而宇宙弦的存在，也賦予另一蟲洞通

道的建構材料。若掌握蟲洞建造技術，以及超弦理論、膜理論的發展能夠對其他高次元

的更多了解。蟲洞時光機的確有發展的可能。

    但猶如光速障礙一般，蟲洞時光機仍有幾近無法克服的問題：

          1.  根據預測，兩個拉近的蟲洞，會有無限多束的光線在極短時間內通過

              蟲洞通道。於是蟲洞會因無限大的能量流動發生爆炸。此推論被稱為

              「真空漲落」。


          2.  為解決真空漲落，Tom Roman提出「羅曼式蟲洞組態」。但更為現實的

              一項困難就是必須要有足夠的異物質來建造這樣由多個蟲洞組成的通

              道。







    時光旅行，尤其是「回到過去」會產生眾多矛盾 (paradox)。時光旅行等於確定了

未來已經存在的假設。這對宿命論者來說，會是使其更消沉的論點。而回到過去更是有

著邏輯上的荒謬。諸多的因果關係套著套著會發現自己是更往死胡同鑽。相信這一系列

文章下來，大家都看到不少時光旅行矛盾的地方。而每個人心中也都有著各自一套對平

行世界或更高次元界的詮釋。其實每種理論都有可能。而每種理論都在等著被證實或推

翻。




    最後，以偉大物理學家史帝芬霍金的推論作結。




    史帝芬霍金以警世的心態，提出大自然中不允許時間迴路和時光旅行。稱為「年代

保護猜測」 (chronology protection conjecture) ，我十分願意萬物自然都遵守這樣

的假設。一方面由於打破物理定律有其難度。一方面又怕矛盾不只是矛盾，最後變成不

可彌補大錯。其實有時候我在想，或許魔鬼終結者是來自未來的導演拍給我們看的哩。

絕了～～～





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    最後結尾的地方很草率，抱歉因為累了、一堆物理的東西搞的頭好痛。

    這篇文章絕大部分參考科普書 《踏入宇宙的一小步 - 黑洞、蟲洞、時光機》，

    若有錯誤的部分，請不吝指正。知識會在討論中更接近真實。謝謝。



    最後補個八卦。

    有沒有打了這篇文章，賺到的P幣，比我的壓歲錢更多的八卦？

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※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc)
◆ From: 118.232.11.193
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推 alees:推一個～
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推 xiphos:認真推一個  雖然我看一半就不想看了...
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→ KruKru:你的壓歲錢 該不會只有600吧????
推 dmjohnny:我直接END了...
推 Fanchiang:我居然認真的看完了...推認真
※ 編輯: Xtaka           來自: 118.232.11.193       (02/10 11:16)
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推 chenchungwen:超認真推..
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推 flarecutter:現在在念熱力學 不知有沒有用
推 starfoxz:推，謝謝分享
噓 Keelungman:F = mv? 校個稿吧  用紅色比較清楚
謝謝 Keelungman 版友，寫到那裡的時候，腦筋打結了，不好意思。

→ IAMhayama:我想問一下 這些內容基本上牛頓雜誌都有說過
→ BigSuckTube:很認真  晚上精神好再來熟讀一番
→ IAMhayama:而重點處更是一堆假設.超越光速才能脫逃的東西
→ IAMhayama:真正的科學家會這樣去鑽研然後推論出這沒結論的內容嗎?
→ IAMhayama:還是只是業餘學者寫給普通人看的有趣描述而已?
→ IAMhayama:超弦理論還比較像科學家會鑽研的東西
→ IAMhayama:也有可能 不經過這種簡單的推論 推不出更深的理論吧...
那些都是很深的東西啦。要有儀器設備加上長期的觀測。

科學家大概都在做這些事情吧。

不過我倒是認為，看一看新的假設，想一想有沒有矛盾的地方，的確很有趣。

我文中提到的科普書，作者的確是用很淺顯的非專業術語在解釋。

書末，作者也有說這本書是給非科學界可是對深奧的時空概念想有所了解的讀者設計的。
※ 編輯: Xtaka           來自: 118.232.11.193       (02/10 12:06)
推 Simonfenix:.
推 biolife:一邊吃飯一邊看完了 很有趣XD
推 cataphract:讚~學了很多
推 HaagenDazs:你為什麼要從未來到這裡來po文呢？推~
推 kvankam:沒聽過有什麼火箭可以繞太陽一圈還準確回來地球的
推 anitai:推!!!!!
推 galewind:好厲害，將複雜的概念淺顯易懂的方式表達出來，太棒了^^
推 Cyuhsuan:很有趣 大推
推 cksearching:推  認真好文
推 m16a218:光速臨界時間問題我也有想過了 但疑問是超越光速後為何時
推 kidjohn:很有趣的東西 推
→ m16a218:間逆流
→ m16a218:我想過用音速來做測試 假設一個沒有光的宇宙 音波是世界上
推 XX9:參考時間是相對的
→ m16a218:最快的傳遞頻 若一隻蝙蝠以突破音障的速度飛行是否也會時
→ m16a218:間逆流
推 pegasusatlan:感覺上做了很多假設 但這些假設根本不能被證明
推 m16a218:還有一個疑問 這世界上是否存在定義時間及真實時間
推 kuromo:有看有推
推 alongbow:S=q/T-RT(Xa*lnXa+Xb*lnXb)
推 ixjnpns:有趣! 推!
推 lecheck:時間非可經歷物 時間只是向量軸
推 emurom:算是很淺顯易懂得說明了，大推霍金值得尊敬的科學家
推 wkwtb:猛
推 emurom:我記得霍金寫核桃裡的宇宙時有說，要用淺而易懂的方式讓
→ emurom:大眾知道現代物理學界在作什麼。這是很好的作法不然一堆
→ emurom:公式的科普書除了本科系誰要看阿！
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噓 Freak1033:我幫你轉港漫版吧? =_____=
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推 alima:暗黑破壞神裡面  撒但就是從黑洞超越視象地平線出來的
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推 surot:噓的那一個，你看懂了嗎？＝..＝  先去看看量物再來噓。
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推 larclarc:對於高深的物理我是幾乎不懂,不過我也想問到底是哪台火箭
→ larclarc:做了那個 繞過太陽再繞回來的實驗....orz
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推 iorice:花了二十多分仔細看完~~推~~
推 youfown:這是唸物理的系好處啊...探索萬物起源
→ youfown:順便回有人疑問:這些假設都是物理定律經證實的喔
→ youfown:詳情請參考近代物理的書吧
→ youfown:結論:時光旅行較可能成功的是去未來,不是回到過去
推 goodman7434:專業！
推 archon:我看完了 (>_o^b
推 Anderpiece:有看有推
推 shyann:並沒有都經證實 比方說超光速就沒有 有關黑洞的部分被證實
→ shyann:的也很少很少 甚至連黑洞是否真實存在都還有懷疑
→ shyann:關於宇宙膨脹的部分 想像與猜測仍屬居多 現在還不確定宇宙
→ shyann:是怎麼膨脹的 就更別提以後收縮會怎樣
推 sinim:有看有推!原po超認真!XD
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→ Dinya:看到第三行按END,←,轉寄...
推 Biboy:宇宙膨脹不是已經被證實了嗎? 先觀測一顆星球到地球的距離
→ Biboy:過段時間再觀測一次，發現距離變遠了，這不是已經證實了嗎?
→ Biboy:這篇文章真的寫的淺顯易懂...大推!!!
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推 dodomilk:推這本書XD 國二時看過，我現在大三 囧
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推 sunrice:看八卦長知識
推 ntnumaxpower:謝謝原PO好文章
推 Janyazero:該m吧?@@
推 migyo:黑洞存在早就被證實了 至於暴漲論是目前最為接受的理論 不過
→ migyo:不一定是對的...