没了粒子加速器就活不下去的10个理由,哥斯拉的

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警告:本文有轻度剧透。

(文/George Musser)我们都看过那些有关回到过去,尝试改变历史的电影(不过这会导致一个经典的“祖父悖论”)有时,这种尝试会创造出一条新的时间线,这条时间线上的一切都与之前不同,而只有时间旅行者自己知道之前曾发生过什么。而在更在脆弱的宇宙中,祖父悖论可能足以摧毁整个时空连续体,除非旅行者将一切都归复原位。不过我个人最喜欢那种用一条单一的时间线就能把所有事情交代得合情合理的作者。

(本文由 Nautilus 授权转载,撰文/Lina Zeldovich,插图/James Walton,编译/莘莘深)物理学家用粒子加速器来回答基础物理学的问题——我们的宇宙是怎么来的,为什么物体具有质量,等等等等。很多粒子加速器个头巨大——在芝加哥附近费米实验室的万亿电子伏加速器(Tevatron)周长有六公里,而日内瓦的大型强子对撞机(Large Hadron Collider ,LHC)还要再大四倍——而且,它们都非常昂贵。在某些方面,它们是纯研究用仪器的典范。但是,如果你觉得这些机器在研究之外一无是处的话,你会大吃一惊的。

1954年发生了三件事情。美国在比基尼环礁引爆了人类第一颗氢弹“喝彩城堡”,实际当量1500万吨是预测值的两倍半;这次核试验原本打算保密,但远超预计的放射尘污染了附近岛屿居民,还沾染了日本渔船“第五福龙丸”并导致一人死亡;再就是,哥斯拉(ゴジラ,Godzilla)在日本诞生了。

图片 2正在热映的《X战警:逆转未来》中,为了挽救变种人,金刚狼回到过去改变了历史。他也是唯一记得之前的时间线曾发生过什么的人。图片来源:blu-ray.com

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图片 4比基尼环礁核试验。图片来源

在现实世界中,我们是否需要对时间旅行感到担心呢?假设某人试图在实验室中建造一台时光机。是否有一些自然定律可以阻止他们这么做?理论学家就这一问题进行了长达几十年的辩论,但是最近我提出了一种基于热力学第二定律的观点,我认为时光机是不可能造出来的。

粒子加速器早在几十年前就逐渐走出实验室、渗入到了工业界,而且科学家们还在不停设想新的应用。当用于基础研究的联邦资金减少的时候,科学家就会想新办法来筹钱。罗伯特•柯法特(Robert Kephart)是伊利诺伊加速器中心费米实验室的主任,伊利诺伊州商业和经济机会部(DCEO)联手资助科学研究,并发展粒子加速器的应用。他和他的同事讲解了你大概可能没听说过的10个粒子加速器的应用:

从诞生之日起,哥斯拉就是一只辐射的怪兽、是核武器的隐喻,第一部哥斯拉电影里处处透出广岛长崎和第五福龙丸的影子。就算今天哥斯拉已经转职为英雄和人类的守护者,依然和核与辐射密切相连——比如在2014年版哥斯拉里,正派怪兽哥斯拉和反派怪兽穆托都是靠辐射为生的,属于一个建立在史前强背景辐射之上的远古生态体系。

广义相对论:你可以造一台时光机,只要你有负能量

近代物理学并没有明确指出你无法建造一台时光机。这背后的理论支持是广义相对论。爱因斯坦的理论认为,质量可以造成空间和时间的扭曲。例如,在地球表面附近,时间的流速会变慢,比外太空要慢大约十亿分之一(这也是物体总会往下掉落的真正原因)。十亿分之一并不算多,换句话说,地球的引力场非常弱。但是中子星和其他大质量天体的引力场则不然,它们要强大得多。一个极端的例子就是黑洞,它的引力场强大到连光也无法从中逃逸。如果光过于靠近黑洞,掉入了黑洞的事件视界,那么它将再也无法回头。

那么,一个可以扭曲时间的强大引力场,有没有可能让你的太空飞船按照某种特定轨迹飞行然后与过去的你相遇呢?物理学家把这种情况叫作封闭类时曲线(closed timelike curve,CTC)。这条“曲线”是一条穿越时空的轨迹。“类时”的意思是这条曲线速度不会超过光速,所以物体(比如太空飞船)在原则上可以沿着这条曲线运动。而“封闭”的意思是这条曲线的终点与起点是重合的。

建造时光机的一种方法是寻找或者建立一个可以通过的虫洞。“虫洞”(在很多科幻电影中都有这种设定)是连接空间中距离很远的两点的一个通道。虫洞有两个端点(你可以把这个端点粗略地想成圆形),连接这两个端点的通道被称为“喉(throat)”。“可以通过”的意思是你可以驾驶飞船从虫洞的一端进入,穿过喉再从另一端飞出。这也是科幻小说中常见的情境。

图片 5在电影《超时空接触》中,艾丽穿过虫洞,来到了看起来似乎与自己童年时期画过的一幅画非常相似的海滩边,还见到了自己早已去世的父亲。图片来源:fastcompany.com

根据广义相对论,建立类似虫洞的数学模型是非常容易的。事实上,如果你把描述黑洞周围引力场的公式外推到事件视界内,你会发现其实黑洞就是一个可以通向另一个宇宙的虫洞。难点在于维持这个虫洞张开,直到你可以顺利的通过它。在一般的黑洞中,虫洞喉会很快崩塌,你会坠入奇点然后死去。

不过让我们假设你已经克服了这个问题,建立了一个连接宇宙中两点的可以通过的虫洞。接下来,你可以让虫洞的两端尽可能靠近。假设虫洞的一端位于地表,而另一端位于地球轨道上。宇航员利用这个虫洞往返于空间站和他家。记住一点,近地表的时间流速要慢一些。这意味着虫洞其中一个端点上时间的流速要比另一个端点快。这种时间差会逐渐积累。宇航员会发现,从地球出发前往太空所用的时间比从太空回地球时用的时间要少一些。过大概一年之后,这里会出现了一个封闭类时曲线。最终,宇航员可以穿过虫洞,然后给过去的自己发一个无线电信号。宇航员可以在早上9:00时离开地球,然后在早上8:59时到达空间站。之后,她可以给地球上发一个信号,告诉自己今天不用来工作了。这就造成了类似祖父悖论的困境。

图片 6《神秘博士》中登场的哭泣天使可以把受害者传送到过去的某个时间点。图片来源:caddicks.com

不过除了祖父悖论外,广义相对论中还有一个定理认为,虫洞是永远不可能允许物体通过的,除非你可以用负能量来维持虫洞开启。这个说法的原因在于,想象一下以不同的角度向虫洞的一个端点内射入一道光线。一开始光线是汇聚的,但是当光线从虫洞的另一个端点射出时,它们就变成了发散的。这意味着虫洞内部的引力场会使光线散焦。但是通常,具有正能量的物质产生的引力场会使光线汇聚。为了防止虫洞崩塌,你需要有负能量的反引力物质。这听起来很奇怪,因为普通的物体都具有正质量,因此根据质能方程(E=MC^2),它们也具有正能量。

1. 牛奶盒子的封口,加速器干的。

加速器用电磁力加速带电粒子,所得的粒子束可以沿设定的方向运动——就算它们离开了加速器也一样。当带电粒子经过一个原子,它可以同这个原子中电子相互作用,把它们从原先的轨道中踢走,同时破坏掉化学键。这样,某些化合物会分解掉,有些则会发生聚合。后者是粒子加速器被应用到工业界最早的例子,这项应用至少可以追溯到20世纪80年代:给薯片袋子和牛奶盒子封口。薯片袋子由两层用胶水粘在一起的铝箔制成。这种胶水在工业传送带上需要很长时间才能干。“永远都会是黏糊糊的。”柯法特说——但是电子束可以让这一切瞬间发生,“用加速器你可以瞬间让胶水聚合。”

图片 71954年初代哥斯拉的海报。图片来源:wikipedia

量子力学:你可以有负能量

根据史蒂芬霍金的理论,如果你所在的时空在起始时不存在时光机,那么你永远不可能建造一台时光机,除非你有负能量。看起来谜题似乎解决了。既然自然觉得所有物质都具有正能量,时光机就不可能被造出来了。这个看似完美的解释只有一个小问题,就是它的前提条件是错的。

除了广义相对论,我们解释宇宙的另一个得力理论就是量子力学。而如果你知道一些量子力学的知识,例如电磁场相关的,你就会明白你可以制造出负能量。一个经典的例子是卡西米尔效应(Casimir effect),这个效应已经在实验室中被观测到了。如果你将两个导电平板贴得足够近,这两个平板之间就会出现负能量密度。当然,平板之间的负能量密度要远小于平板本身的正能量密度。但是只要有负能量存在,之前霍金的理论就不成立。

2. 大量天然气被浪费,加速器来搞定。

比起石油,天然气更加难以驾驭,并且需要管道传输。所以每年都有数百万立方英尺的天然气被燃掉或被排掉而没有被传送到市场——造成了污染和浪费。

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根据西部价值项目(Western Values Project)估计,2013年美国浪费的天然气足够支持洛杉矶或者芝加哥全年用度。化学反应可以将天然气转化成液态烃或者石油,但是这个过程要求很高的温度和压力,只有大工厂才能实现。加速器可以通过用电子束打破碳氢键来实现同样的目标,从而使得天然气和重新结合成链状聚合物。这个过程据柯法特所说理论上可以奏效,但是还停留在未来技术的阶段——还没有建成的原型。

不过提到辐射,可就有些说头了。

热力学第二定律:时光机?想都别想!

但是在量子力学的体系之下,建造时光机依然存在问题。在我自己的研究中,我认为热力学第二定律会是一个阻碍。热力学第二定律告诉我们永动机是不可能造出来的,自然界存在着一些不可逆的过程。物理学家定义了“熵”这个概念来描述宇宙在给定时刻的无序程度。根据热力学第二定律,随着时间流逝,熵值总是增加的。

即使黑洞也遵循这一定律的某个版本。黑洞的熵值与其事件视界的面积成比例。换句话说,黑洞的表面积,和黑洞外所有物质的熵值,都会随时间增加。用来描述黑洞熵值的公式由雅各布·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)和史蒂芬·霍金共同提出,被称为广义第二定律(Generalized Second Law,GSL)。在我的论文中,我从数学上证明了GSL具有普遍的适用性。

但是还有很重要的一点,那就是你不需要用黑洞来论证视界的热力学。这个结论适用于所有的观察者。如果某一区域永远在某人的视野之外,那么这一区域就在这名观察者自己的视界外。完全不需要提到黑洞。例如,如果你坐在一艘加速飞行的宇宙飞船里,那么只要你的领先得足够多,那么有一些光线将永远不会追上你。这些光线就在你的视界之外。这种视界被称为Rindler视界。

在宇宙学中也会发生类似的事情。宇宙的膨胀是不断加速的。这就意味着如果另一个星系离我们足够遥远,那么无论等待多长时间,我们都永远无法观测到它。这种现象被称作宇宙视界或者de Sitter视界。在你生命中的每一个瞬间,你都会进入某个遥远星球上生活着的外星人的视界。

但是令人惊讶的是,和黑洞一样,所有这些不同种类的视界都遵循热力学第二定律。这与如何定义视界无关。这些视界面和观察者能看到所有物体的熵值,都会随着时间而增加。广义第二定律依然适用。

因此根据广义第二定律,建造一台时光机是不可能的。假设你可以在时空中构建一个封闭类时曲线。那么这条曲线本身会有一个视界。要解释这一点,需要你想象一下如果你沿着封闭类时曲线移动,你会看到什么:你进入太空舱,系好安全带,飞向虫洞口;然后穿过虫洞回到你起始时的时间和空间。你一次又一次的穿越虫洞,重复这段旅程(这其中还有很多复杂的问题需要解决,不过先忽略它们,反正我们只是要利用“观察者”这一概念来解释封闭类时曲线的轨迹)。

现在假设星际代理公司(译注:作者虚构的公司)打算从远处的一颗星球上给你发一段无线电信号。随着信号向你靠近,时间也在逐渐流逝。信号发射地距你越遥远,它抵达的时间也越晚。另一方面,你自身的时间却没有流逝。

图片 9封闭类时曲线示意图。图片来源:ScientificAmerican

我画了一张图来解释这个场景。上图中展示的是一个包含封闭类时曲线的宇宙。光(绿色实线)沿着45°角移动;两条蓝色的短线段是可通过的虫洞的两个端点;曲曲折折的红色实线是你穿从太空中飞向虫洞口的路径;虚线是你穿越虫洞时的运动轨迹;实线和虚线围起来的部分是封闭类时曲线;黑色的圆锥代表视界,将可以进入封闭类时曲线的信号与无法进入的信号隔绝。视界会随着时间的流逝逐渐缩小。

视界(一条区分事物能否被封闭类时曲线“看到”的边界)在封闭类时曲线形成之前就已经存在了。在很久很久以前,视界是一片非常大的圆形区域,然后视界会以光速收缩。因为视界的收缩,它的熵值也会减小。根据广义第二定律,系统中其它部分的熵值必定会增加。问题在于,熵值的下降是不会停止的,而增加的熵值无法弥补这种下降。因此,时光机的存在违反了广义第二定律。

所以根据广义第二定律,时光机是不可能存在的。而且根据这个定律,还有很多东西也是不可能存在的。比如不可能存在可通过的虫洞(即使它不作为时光机),因为穿过虫洞的轨迹的视界是不断收缩的;而基于类似的原因,你也不可能造出曲速引擎。对科幻迷来说,对于给你们的梦想泼冷水这事儿我感到非常抱歉,没办法事实就是这个样子。

图片 10根据广义第二定律,《星际迷航》中使用的曲速引擎是无法实现的。图片来源:discovery.com

你还可以利用广义第二定律推出时间开始于大爆炸,并终止于黑洞奇点。否则,观察者的视界就不能满足广义第二定律。老实说,没有人真正了解奇点附近的物理学定律,因此我关于这方面的研究内容只是一种推测。可以想象,即使广义第二定律适用于目前已知的任何情况,它在奇点附近也会是错的。不过这点我可不敢打包票。毕竟,总有些东西会阻止你杀掉你的祖父。(编辑:Steed)

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