Rorical
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发布于 2023-08-27 / 46 阅读
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时间旅行指南

感觉想到什么写什么会更轻松一点,所以写点吧
但是写完才发现,唔,各位不如去直接看霍金的《时间简史》

这篇文章涉及到了相对论的知识,所以可能会花很长时间进行理解。别灰心,可以结合各种视频和图像,甚至数学公式,直到掌握它。这篇文章只是我对其的理解,所以可能会有不准确的地方,请包容。

应该我们都会有过或多或少类似的想法,就是穿越时空,回到过去去改变一些东西。虽然从因果律上是不太可能的,不过真的不太可能吗?

因果律是什么

Event: Things happens or take place.

我们都是人类,所以具有通用的常识就是,对于”事件“的定义。
所以事件就是一件发生的事情,那么事件显然是具有时间上的意义的。

既然在时间分布在时间轴上,那么它们必然是一群,而不是一个。可能只对于人类而说,时间是一种单向的东西。
过去的时光不会重复,或”我们无法回到过去“。

既然时间是单项的,那么事件意味着也具有某些单向的指向性,譬如”人被杀就会死“这种东西。我们把一种事件发生之后另一种事情也会发生的现象叫做因果。
前面的事情是原因,后面的事情则是结果。

既然你点开了这个文章,那你就必然会读到这行字。因为没读到这行字的不知道这行字的存在所以这个论述永远正确

因果律,说的则是,因果永远不可能反着来。物有本末,事有终始。种瓜得瓜,种豆得豆。

既然是关于因果的规律,那么就必然是至少目前找不出反例的。我们可以用悖论说明这一点。

因果悖论 Predestination Paradox

又称 Causality Loop 因果循环。这个东西在科幻片里很常见。

我们可以假设时间并不是单向的,它可以有循环。循环则意味着穿越时间(Time travel),回到过去。

所以假如我可以穿越过去,把我自己杀死,那现在的我又从何而来呢?

很显然这是一个至少人类思考不出答案的问题。

这就是一个简单的因果悖论。如果我杀死了自己,那我为什么又要杀死我自己呢?或者,我还存在吗?我还存在过吗?当这条时间线打结的时候,或许意味着,这种可能性已经被永久的抹除掉了。

或许,我们可以有办法亲自试一试看看会发生什么吗?

如何回到过去

当然,如果我们有一台时光机就好了。

...欸,什么,你说时光机???那玩意不是不存在的吗?
假如未来已经有人造出时光机了,那么我们现在不应该看到未来的人吗?

别急,我们可以先假设时光机存在。如果时光机存在,它是什么?

狭义相对论 Special Relativity

还得是 Albert Einstein

理论是经过观察实际得出的。那么人类在这时候发现了什么呢?

光速 是恒定不变的。

速度是需要参照物才能获得的。而光这个特例,在所有情况下测得的都是一致的。无论是高速移动的火箭,或者在不动的地板上,测得的光速似乎都是一致的。也就意味着无论你跑多快,光总是比你更快的。

光似乎成为了这个宇宙的标尺,极限速度的标尺

对于旧的牛顿·莱布尼兹变换来说,换一个参考,时间应该是不会改变的。但是如果时间不改变的话,光速就不会恒定了,我们必须重新设立变换,才能让光速在每个参考系下都是恒定的。

仔细思考一下这样的场景:

  • 如果我是在地面上,而你坐在一个飞机上。
  • 飞机向远方飞去,也就是说你在离我远去。
  • 我瞄准了,给你发射了一个光,biu~。
  • 这个光朝你飞奔而去并且假设你一定会接收到它。
  • 因为光肯定比你飞的快,所以在我看来,这束光发出去时候,光相对于你的速度应该是光的速度减去你的速度。光应该是需要一段时间才能追得上你的。
  • 但是对于你来说,光的速度相对于你也是不变的。那么我发出去的这束光,在你看来,其实是在以光速追赶你的。哦,不到一会光就能追得上你。

看到了吗?虽然我们之间的速度相同,但是光从出发到追上你所需要的时间,在我们两个人看来是不一样的

仔细思考这一串思想实验,我们就可以明白,对于每个观察者来说,时间是不一样的

时间为了确保光速不变,会自发的伸缩。

更进一步的推导表明,只要我们之间存在速度差,那么对于观察的一方,另一方的时间总会相对于自己变慢

这就是钟慢效应 Time Dilation

欸但是,既然双方都会觉得对方时间变慢,那为什么会对这个光从出发到追上所需时间有不同的认知呢?不应该是相同的吗毕竟两边都一样会抵消?实际上,确实抵消了。而抵消的位置在于双方关于事件的发生具有不同的认知。

同时的相对性 Relativity of Simultaneity

回想一下上面那个例子。请注意,下面为了说明”相对“的重要性,我将会添加”对于某某来说“的指示。

如果没有任何别的东西,你在飞机上怎么得到对于你来说我什么时候发送这个光呢?

当然是计算啦!

因为你知道你接收到光的时候你与我的距离,同时也知道对于你来说光的速度,所以很容易求出你认为的光所飞行的时间,然后在接收到的时间减去这一段光走路花费的时间,那就是对于你来说我发送光的时间。

但是我们如果从绝对角度来看,会发现,没法比! 因为对于每个观察者来说,时间是不一样的。你所认为的同时发生的事情,实际上在别人眼里并没有同时发生。这叫做同时的相对性

对于不同的观察者来说,事情发生的时间并不一样! 在一个参考系下同时发生的事情,在另一个参考系下就是交错发生的。

因为在飞机的这个例子中,我们并没有让一个人同时做两件事情

这是一个很有趣的体验:我们需要完全的放弃掉绝对这个概念,转而只研究对于不同观察者在他们眼里世界是什么样的。

那么来穿越时空吧!

既然对于每个人,事件发生的时间不一样的话,什么条件下,事件发生的先后会被这种不同完全的扭转呢?

我们都知道,信息的传递需要时间,因为信息是有载体的。最快的信息载体,当然就是电磁波,也就是光啦!因为毕竟没有比光快的东西了。

假设我们有一个无视光速的对讲机,在瞬间(之后我们会知道”同时“这个定义本身就是相对的,但这里先看作绝对存在)我们可以知道对方干了什么。那么在上述情景中就会这样:

在我的通知下,你同时知道了我把光发出去了,并且在接收到光的同时用这种对讲机告诉了我。但是因为光更快的到达到你那里,所以

在我这里,光甚至还在半空中飞着呢,你就告我你收到了?

在因果逻辑上,按理来说应该是你先收到的光,然后才告诉我,但是结果是,我先知道了你收到了,然后我才看见你收到。

结果比原因更早发生。

这是妥妥的因果悖论!不!不能存在!

为什么会这样的?因为我们只是多了一台神奇的对讲机。而这台对讲机,它超越光速

超越光速,可以扭转因果

时光机

至此我们很清楚了,我们假想的时光机就是超光速飞行器

哦?那么超光速到底能不能实现呢?我们人类有没有可能借此穿越时空?

那么我们需要...

广义相对论 General Relativity

狭义相对论中,我们忽略掉了一个东西,那就是加速度

作为速度的变化率,加速度也是很重要的。在有加速度的情况下,事情会变得更有趣起来。

双生子佯谬

如果我们想要反驳狭义相对论,那么第一个点想到的肯定是这个著名的思想实验。

内容就是一对双胞胎(所以年龄相同),哥哥乘坐飞船高速离开地球然后又回来,弟弟则呆在地球上不动,那么回来以后这两个人的年龄会有什么区别?

从狭义相对论的角度来说,对于运动的,速度越快对方的时间流速越慢。而这里面,两个人都是相对对方有很高速度的,那么这个怎么比较?

其实关键点在于,离开地球的那个人在过程中有加速度,而加速度会直接转换参考系

狭义相对论可以适用于惯性参考系,然而对于这种有加速度的非惯性参考系的情况下,我们需要一些改动。

对于哥哥来说,其实乘坐飞船高速离开地球的时候和返回地球的时候相比,他是处于两个不同的参考系的。而在参考系的转换之间,有些神奇的事情发生了。

根据洛伦兹变换,在参考系转换的过程中,也就是哥哥折返的瞬间,对于他来说地球上的时间会瞬间快到无法想象。弟弟在地球上的时间转瞬即逝,所以结论为弟弟反而会比哥哥更老

这里最突出的差别是,两个人收到了不同的加速度,而加速度不是相同的。在这里并不意味着相对加速度是相同的,而这是很重要的。在相对论参与的时候,时间流逝不同,那么对于不同人来说加速度就变得相对了。

时空

根据爱因斯坦的想法,加速度和重力不可区分。

假设你在一个火箭上,如何测量出火箭的速度?实际上没办法测量。
而如何测量加速度?很简单,水平扔一个东西出去然后看它的运动。但是实际上,火箭停留在星球表面的时候,你也会感受到星球的重力。星球的重力和火箭实际的加速度也是无法区分的。

既然如此,上述有加速度的例子,则部分适用于时空的推导。既然加速度会导致参考系的转换,重力也会导致参考系的转换,从而改变时间。

持续,频繁的改变参考系?不能这么算吧,干脆换一种思路,也就是其实重力,并不是一种力呢?

从空间的角度来说,有一些比较用烂的例子。比如在一个球体表面,两条互相平行的线会相交。

假如空间本身进行弯曲的话,那么也会出现相同的现象,也就是即使你一直在走一条直线,这个空间本身就是弯曲的,所以你走到最后会发现走到另一个方向了。

这里最著名的例子应该是用一块蹦蹦床代表空间,而你站在中间时候,就会不可避免的向下踩出一个坑。这个坑就好比弯曲的时间,当有直线进行的东西遇到这个坑的时候,直线会被偏折到另外一个方向。(虽然这个例子太不准确了)

好的,空间可以这么解释,那么时间呢?时间也会发生变化是怎么回事?

正常的想法是把空间和时间看作两个分离的东西。时间是单向的,空间则是双向的。但是,我们说不定可以把他们两个联合在一起看呢?一个物体在我们面前静止的时候,它真的是静止的吗?

在时间的轴向上,这个物体在悄悄的向前移动。

在狭义相对论的情景下,我们作为观察者,不仅需要确认一个高速移动物体的速度,还要确认它的时间。毕竟它相对我们的速度越快,它相对我们的时间越慢。这时候,我们其实可以使用一个坐标系画图,横坐标为时间速率(相对我们的),而纵坐标为速度(相对于光速的)。

想象一下这个图吧(懒得画图然后扔上来了),当速度为 0% 的时候,时间和我们相同,也就是 100%。当速度为 100% 的时候(光速),它在我们看来时间停止,也就是 0%。这下横纵坐标都有两个对应的极限点了。

那么中间呢,在物体逐渐加速到光速的过程中,时间如何变换?事实上,这么一画图我们会得到一个圆形,也就是速度和时间速率的取值在一个圆上。这意味着,如果使用一个向量来表示速度和时间速率的取值,那么这个向量的大小应该是相同的。

这个向量则是整合时间与空间的关键

我们可以再绘制另外一个图,这个图的横坐标是物体在时间轴上的位置,而纵坐标则是其中一个空间轴的位置。

如果这个物体是静止的话,我们会得到一条横线。因为它存在于这一段时间,所以时间轴上一直有它的痕迹。

如果这个物体是移动的话,我们会得到一条斜线。即使位置在改变,它在时间上的改变是持续存在的。所以时间轴上必然有它的身影。

那么很显然学过微积分的同学们可能会发现,后面这个图其实是前面的图积分得到的。前面的图是描述速率,而后面是描述本身的值。

好的,后面这个图其实就是时空图。时空图上,我们可以做洛伦兹变换。但是这里,时空图的目的在于说明,其实它的变化程度是按照前面所说的那个大小不变向量来的。而那个大小不变的向量,则是这个物体在时空中的速度

注意这里我们是说的时空。在这个情况下,时间和空间并不是分离的个体,因为它们之间在互相牵制,并且总是遵循特定的算法。

所以,当一个东西在空间中具有速度的时候,我们可以看作它在时间轴上的向量稍微偏转了一下。本来应该在时间轴方向的速度,现在则向空间中速度的位置旋转了。这个物体,在时间上稍微慢了一点点,而在速度上却飞了起来。

好的,那么这种说法如何解释重力同时对空间和时间造成影响?对了,在时间轴上走直线的物体,最后在时空上的路径反而并不是直线,原因是重力会将时间轴弯曲到空间轴上

当一个物体好好的在时间轴上走直线的时候,它在空间上的表示则是静止的。假如这个时空本身就是弯曲的,它在时间上走的直线,这时候竟然悄悄的往空间轴上偏移了那么一内内。宏观的表现就是,这个物体在进行加速。而时间方向的分量这时候减少了,这说明这个物体时间变慢了

看吧,当把重力解释成时间和空间都在进行弯曲,所以时间上的移动最终导致空间上的移动时,我们就能解释为什么重力又可以产生加速度,又可以减慢时间了。

时间和空间本一体。

所以你呆在地球上的话,时间是要比呆在飞机上要慢的。

黑洞 BlackHole

黑洞是一种至今为止仍然谜团重重的特殊天体。在超大恒星崩溃坍缩后,巨大的质量汇集到极小的空间,哦不,是一个奇点上。

质量会导致时空弯曲,而黑洞所弯曲的时空甚至有些特殊。因为弯曲接近无穷大,所以甚至可以将物体全部在时间轴上的速度扭曲到空间轴上。

这种扭曲如此强大,甚至光一旦进入到它的事件视界 Event Horizon,就会变得无法逃离。我们可以根据这个理解出,空间的弯曲程度甚至超过了光的速度,以至于以光速都无法逃离这个弯曲的空间。在此之下,又有什么能够逃离呢?

这种任何东西都无法逃离的特点,其实可以通过另外一种方式理解。就是,黑洞内部将空间和时间完全的绑定了。无论在时空上具有什么速度的东西,进入以后都会将其全部在时空上的速度分给空间,也就是,时间完全的静止,而空间速度完全向黑洞内。因为时空以一种不可想象的程度撕裂了,将其完全九十度翻转。(我非常喜欢这个空间和时间翻转的解释)

这种情况下,黑洞的中心,就是你的未来;你的未来,则是黑洞的中心。

好的,对于我们的时光机来说,最重要的一点无非是时空本身的弯曲可以导致物体超越光速,毕竟需要让光逃不出去嘛。

但是,时空的弯曲真的是可以导致物体超越光速吗?或者,在这种情况下真的就可以进行时间穿越了吗?

浪漫(?)的事实:光的时间是静止的。也就是对于它来说,你是永恒的。对于你来说,它也是永恒的

时间的牢笼

在上面我们详细讨论了,时空如何控制它里面的一切,包括它自己。

但是我们还是不太清楚,超光速是否能通过上述方式实现。并且实现了超光速以后,我们能否逆转时间?

首先,我觉得后面的问题是可以优先,并且简单的解答的。

超光速≠逆转时间

在我们之前的讨论里,超光速的信息传递可以带来因果悖论。但是因果悖论其实不代表逆转时间,只是事件发生的顺序改变了而已。真正的逆转时间,讨论的是时间的倒流。

所以时间有办法倒流吗?有!但很可惜,我们并不能进行时间倒流,因为这样其实没有意义。倒流回去的,重放动作?我们作为观察者,经过反向的时间,和正常的时间,对我们本身的观察来说有不同吗?你在逆向的时间里会进行正向时间的思考吗?

这个问题就像是,你从上往下翻相册,和从下往上翻相册,有什么区别一样。

但是,如果从时空速度的角度来讲,我们的时空速度永远不能超越光速,相反,时间倒流是在光速之下进行的。

还记得我们说过时空速度这个向量是有固定大小的吗?这里可以看出来,我们可以给它翻转到时间速率轴的负半轴,但是一看速度,欸,仍然是小于光速的。

那么真的有这种小于光速但是时间是倒着流逝的东西存在吗?

有的,就是反物质Anti Matter

反物质是经过预言然后发现真实存在的东西。顾名思义,它的一切都是反着来的,什么电荷啊,自旋啊,甚至时间都是反着来的。

其实不难理解,假设我们正常电子是一直向一个方向自旋的(不准确,仅供理解),那么假如你倒带看它的录像,它就应该是反着转的。

某种意义上,反物质就真的像是在时间上倒着行进的正常物质。

不过说到这,你可以会说,我们所认为的因果扭转才是正常的时间穿越的理解,就是把未来的事件带给过去。这点确实是我们所普遍理解的时光机的作用,但是重要问题就是,真的能比光速快吗?

永远无法触及

这里的前提条件还是,光速对于所有观察者来说都是一样的。假如你有一艘可以无限加速的宇宙飞船,你可以超越光速吗?

在这个飞船上你吃力的一直在提升速度,但是看来光速始终是对你恒定的,飞快的离你而去。假如你没有参考的话,只有一个光,可能你甚至都不会意识到自己在提速,只是加速度带来的感觉告诉你正在加速。而光,始终以相同的速度前进,对于你或者我来说。

事实上,你完全可以一直一直加速下去,这里没有什么屏障阻止你继续加速。但是继续加速,带来的是什么呢?

如果我们继续看回时空速度的那个向量,我们还是可以想起来它的大小是不变的。这时候,你在加速的意义则是改变这个向量的方向。越来越偏向速度,越来越从时间上抽离,但是永远无法超越光的速度,因为已经限定死了这个大小了。

也就是你可以真的一直加速,但是对于别人来说,你只是一直在无限无限的靠近光的速度,但是永远无法企及。

对于你来说,光照样是那么快。它无法被追赶。

所以结论就是完全没办法超光速行驶。

假如加入一个地球呢?这时候有一个可以参考的东西在了。你从地球上出发,逐渐加速到光速。你对地球是高速运动的,地球对你也是高速运动的。

但是别忘了,你可是一直有加速度在的。不断变换参考系的过程,使得你的周围一直在改变。

除了钟慢效应,还有尺缩效应在呢。对于你来说,速度越快,空间会越被压缩。对于你的前进方向,两点之间距离就变短了。

当你相对于地球成为光速的时候,你对目标的距离就变成 0 了。目标,什么目标?当然是目标空间了。

这里你可以体会到当光的感觉了。宇宙中所有东西的距离都变成了 0,宇宙的大小变成了 0。宇宙失去了大小,变成了一个奇点。时空对你失去了意义。

哦,还是别当光了。

那么另一个结论就是持续的加速是有意义的,越光速越快能到达目的地

对于地球上的人来说就苦了。因为你在一直受到加速度,则地球上的时间要比你快好多。你觉得一瞬间完成的星际旅行,地球上可是过了几百亿年不止啊。

假如你是在地球上想要让飞快的探测器帮你采集数据的话,时间照旧。它永远不会比光快的,所以还算依靠光吧。

光锥之内就是命运。

有什么关系?

穿越时空,只存在于美好的想象中。

回到过去是吗,你有什么想要改变的事情吗?你有什么还想要再见一遍的东西,或是人吗?

只存在于记忆中的碎片,是你想要抓取的吗?

好想,说不定,回到那一天?或许结局就因此而改变,之类的?

如果再给我一次机会,我会选择另外一条路,之类的?

抱歉,这本时间旅行指南,存在的目的就是否决一切此类想法。让你直观的感受到绝望,痛苦,或者,将你从其中拯救?

花有重开日,人无再少年。过去的事情既定的写下了永不磨灭的符号。

唯有活在当下,才是生命的一切。


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