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時空洪流中,一些可能有用的旅行資訊── 《我們都是時間旅人》導讀

  • 卜宏毅(加拿大圓周理論物理研究所博士後研究員)

迷人的時間旅行

我們都是時間旅人?我們已經可以時間旅行了?!我們都對哆啦 A 夢的時光機不陌生,但時間旅行與時間機器的這個想法,原來是在上個世紀英國作家威爾斯(H. G. Wells)的科幻作品中才首次露面。「時間旅行」確實是個引人入勝的概念,光是提到這個名字,每個人心中或許都浮現出自己的故事與畫面,卻又難以道盡:也許是因為我們總不免懷念過去,也許是後悔某些決定,又也許是對充滿未知變數的未來好奇。或多或少,我們也都想像過如果能時間旅行會是什麼樣的場景。

當然無數的小說與電影,例如:《風雲人物》It’s a wonderful life, 1946、《回到未來》Back to the future, 1985/1989/1990、《接觸未來》(Contact, 1997、《救世主》The one, 2001、《蝴蝶效應》The Butterfly Effect, 2004、《真愛每一天》About Time, 2013、《超時空攔截》Predestination, 2014、《星際效應》Interstellar, 2014,都曾在時間旅行的主題上譜出動人的故事,有些故事甚至能使我們更反思當下生活的點滴。這就是時間與時間旅行的魅力,但同時,我們卻常忘記自己其實是會隨著時間流逝而變化、衰老,不由自主地在時間中旅行──屬於我們自己的時間旅行。

電影《回到未來》的時光車。圖/wikipedia

作者葛雷易克用他個人的品味與廣泛探究,綜合歷史、哲學、文學、科學、文化等不同面向來探討時間旅行這個主題。從第一章開始,作者以時間旅行的始祖開頭,接著娓娓道來和時間相關的想法和概念,包括第四維度、未來學、未來主義(第二章)悖論、黑洞、蛀孔、相對論、同時的相對性、光(第三章)、記憶(第四章)、自由意志、宿命論、決定論(第五章)、熱力學、時間箭頭、熵(第六章)、時間之河、量子力學、量子電動力學、薛丁格的貓、多重世界(第七章)、佛教、永恆、幻象(第八章)、時間膠囊(第九章)、蝴蝶效應、多重宇宙(第十章)、因果論、封閉類時曲線、時序保護猜想(第十一章)、量子引力(第十二章)、非自主記憶、精神時間旅行(第十三章),到最後一章(第十四章)作者提到時間是個殺手,時間旅行是躲避死亡的一種手段,並給出活在當下的忠告。

書中隨意的輕重分配比較像是作者在飽覽時間與時間旅行的相關作品和研究後,思緒與心得恣意奔馳的作品──有時是概念的匆匆一瞥以及在不同章節的跳躍出現,有時是突然大量描述引用小說的劇情;作者這樣的安排或許增加了讀者對書中提到的各個領域理解的困難度,但也確實激發讀者對某些從未耳聞的主題或作品有一探究竟的動機。本書像是一次出航,讓不同背景的讀者在不同的章節中找到共鳴而流連(讀者可以看看是否你對時間旅行的聯想也被納入書中,而作者又是用什麼樣的角度去描述)。本書又或是更像一張地圖或是一袋種子,讓讀者的思緒或好奇心在某個午後發芽。

時間與空間的觀念革新

在開始閱讀本書之前,或許以下額外的物理資訊會對你有所幫助:

時間和空間,像是兩個擁有截然不同特性的東西。在日常生活中,我們可以在空間中相對自在地移動,但在時間中我們只能往前。在十七世紀牛頓的時代,人們認為存在著絕對的時間與空間:它們提供了萬事萬物存在互動的舞台。想像一下,在這樣的絕對時間與空間中,有位在地面上的觀察者 A,和相對於 A 在等速運動的火車裡的另一位觀察者 B。如果觀察者 B 丟出一個球,那麼觀察者 A 將會看到這顆球的速度是火車相對於 A 運動的速度加上 B(相對於火車不動)丟球的速度。

然而,到了十九世紀,人們漸漸注意到時間和空間並非獨立運作,他們以一種巧妙的方式一起合作,讓即使是相對運動速度接近光速的兩位觀察者(例如在地面上的觀察者 A,和相對於 A 在一個接近光速且等速運動的火箭裡的另一位觀察者 B),居然量測到的光速都是一樣的!如果你還記得描述速度概念時我們同時運用到了時間空間的概念(例如:火車的速度是每小時一百公里),意味著時間和空間的建構在不同的座標系統(即是兩位觀察者各自存在的座標系統)並不一樣,使得觀察者 A 與 B 能測量到同樣的光速!甚至對觀察者 A 來說,兩個「同時」發生的事件對觀察者 B 來說並非同時(相對論就是指這樣「相對」的概念)。

一九○五年愛因斯坦提出的狹義相對論即是描述與規範了時間和空間(還有質量)的相對性。因為時間和空間的共同合作,時間和空間也一併稱為時空(spacetime):三維空間加一維時間(而不是指把時間當成空間的四維空間描述)。這就是書中隨處可見的第四維度,第一章提到的時空就像是個「塊體」(block)的結構,以及在第四章中特別提到的光和時空的背景故事。

時空是可以彎曲的。圖/JohnsonMartin @pixabay

理解時空的故事還在繼續。狹義相對論雖然有了時空的概念,但在狹義相對論中所討論的時空,是個處處均勻的「平坦」時空。人們接著發現時空可以彎曲,而且物體在彎曲時空中的表現,就等同於重力對物體的影響。同時,物體本身的存在也造成了時空的彎曲。

一九一五年愛因斯坦提出的廣義相對論即是描述上述的時空彎曲與能量(與質量)的關係。而黑洞(在廣義相對論中被理解成一種時空結構)附近的奇怪性質是最經典的一個例子:黑洞的內部被定義成是光都無法往外逃出的區域,而在黑洞外部,空間在黑洞附近會沿著半徑方向被拉長,而越靠近黑洞時間流逝得越快,而且光線還會被彎曲(黑洞內部的時空結構則又更奇怪了)。因此,的確可能利用時間流逝速率的差別來做時間旅行。如果太空船有機會靠近黑洞,待一陣子再離開的話,太空船裡的人經歷的時間會比沒有靠近黑洞的人要慢許多,就等於是到達了那些沒有靠近黑洞的人的未來(電影《星際效應》裡也有這樣的劇情)。書中的第三章與第十一章簡短提到了這樣的想法。

在提出廣義相對論之後約一百年的今天,我們開車導航所仰賴的全球定位系統(Global Positioning System,其原理是接收在高空至少四個人造衛星送出的訊號,再根據時間差來計算在地表上的位置),就必須要考慮在地表的時間流逝比在人造衛星所在高空的時間流逝要慢的相對論效應(就像是在黑洞附近一樣,只是效應要小許多:GPS 需要考慮到 10-9 秒的時間修正),才能做到精準的定位,這些在書中的第二章也曾提到過。

配備 GPS 讓你開車不迷路。圖/pxhere

時間旅行有可能嗎?

探索廣義相對論所允許與預測的時空結構讓人意外連連。時空不但可以彎曲,還可以旋轉、誕生,甚至有些時空能允許觀察者在不超過光速的情況下,在時空中不停「旅行」,最後卻能回到當初出發的時空點(這樣的奇怪宇宙由第十一章提到的哥德爾[Kurt Godel]所發現)。這樣的時空旅行在時空中呈現一個閉合的曲線,也就是在十一章提到的封閉類時曲線(closed timelike curve;這裡的「類時」[timelike]指的是旅行過程中從時空的每一點到下一點都在光速的限制內)。在這理論下允許的時空雖然吸引人,但我們的宇宙似乎沒有這樣的特性。

另外,根據廣義相對論,時空也可能允許形成一種蛀孔(wormhole)的結構(在第三章與第十一章提到),在時空中的兩個地方建立捷徑。讀者不妨把時空想成蘋果表面,而蛀孔就像是在蘋果上蛀的一個洞。蛀孔的時空結構並不穩定,無法穩定存在到真的有生物可以穿越過去。因此我們特別稱呼可以穿越過去的蛀孔稱為可穿越蛀孔。想像某個先進文明可以自由控制著蛀孔兩端的入口,將一端放在黑洞附近,另外一端放在遠處,根據洞口兩端的時間流逝的不同(之前提過的相對論效應),經過一段時間後,就可以建立起一個洞口兩端連接起穿越過去與未來的時間機器。

然而,假如時間機器與時間旅行真的能實現,那又會如何?雖然到達未來的時間旅行在因果關係上比較沒有問題,但如果是回到過去,就會出現一些讓人頭疼的問題。當歷史已經確定,我們有可能回到過去改變歷史嗎?第三章與第十一章提到的祖父悖論,就是時間旅行中經典的問題:如果回到過去殺害自己的祖父(甚至是殺害自己),你還會存在嗎?

的確有些物理學家認真探討過這種問題,大致上有兩種觀點:第一種是無論你怎麼嘗試,絕對無法成功,甚至你回到過去的所作所為就是造成你出發前的歷史。在這種情況下,歷史只有一個,而且因果律被保存下來。這就是時序保護猜想(第十一章)。雖然這樣解決了時間旅行中因果矛盾的問題,但又衍生出另一個問題:如果回到過去的我們沒有辦法做出或完成某些決定,那麼自由意志在哪裡(第五章)?另一種觀點,是你真的有可能成功殺害過去的自己。這種情況下,自由意志被保存下來,卻又產生了因果矛盾。其中一個解套的方法,就是允許有另一個歷史,但是不同的歷史卻各自存在於不同的世界中。這樣的想法源自於下面要提到的量子力學所提供的另一種觀點。

如果你回到過去殺了祖父,那還會有你的存在嗎?如果你不存在,又怎麼能殺了祖父?圖/pxhere

科學家仍然在奮鬥的難題:時空結構可能更複雜

時間再拉回十九世紀,當相對論為時間與空間帶來新的生命時,人們對分子尺度以下的微觀世界的認識也從發現光量子(光的能量不是連續的,而是一個個可以分開數的「光子」;這樣非連續的本質稱為「量子」)誕生的量子力學而徹底改變。量子力學描述的微觀世界是個充滿魔法的世界:系統的狀態只能允許呈現不連續的物理特性,粒子可以穿牆,也能呈現波的性質,而且對粒子的位置測量的越精確,就越不能確定其運動狀態。

在量子的世界中,粒子性質在被測量前呈現隨時間演化的機率分布,直到測量時粒子性質才被確定下來。人們雖然找到描述量子世界中機率隨時間演化的數學描述,卻對這些描述產生不同的理解與詮釋(儘管這些理解不影響數學公式的運作以及對實驗的預測)。其中一種觀點是沒有被觀測到的結果,其實在另一個世界中被觀測到,而那個世界和我們這個世界彼此各自獨立。這就是在第七章和第十二章提到的多世界詮釋(many-worlds interpretation)。

在相對論與量子力學在各自的領域獲得空前成功的同時,狹義相對論與量子力學結合成了一個新的分支,稱為量子場論。量子場論中最先被推導出來的部分是(第六章提到的)描述電磁作用的量子電動力學。量子場論適當地描述了基本粒子與它們之間交互作用,唯獨重力還未能包含在這個大架構之下。時至今日,物理學家還在努力朝這個方向前進,希望由一個更廣泛的理論來概括廣義相對論和量子力學。這個企圖將重力量子化的理論稱做量子引力。合併量子力學和廣義相對論是一個艱難的工作,甚至物理學家們對考慮量子力學後的黑洞表面(廣義相對論中最經典的時空結構之一)的本質,至今過了四十多年還是各有看法,懸而未解。

無論如何,量子引力將能回答諸如「時空在極小的尺度下是否是不連續?怎麼不連續?」的艱難問題,並帶給我們對時空更加深刻的理解。在發展量子引力理論的過程中,對於時間空間的維度有了新的猜測,時空也許不只是相對論中所考慮的四維,而有更多的維度(十維甚至更多!)。這些可能存在的高維度世界也許共存著我們宇宙之外的平行宇宙(parallel universe),在某些狀況下這些平行宇宙也可能互相影響。這些概念與十二章提到平行宇宙的分類其中幾種相關聯(前面提到的多世界詮釋也是平行宇宙的分類之一)。這些「隱藏」的維度是否真的存在或者只是數學上的概念,是物理學界的大哉問。無論如何,在葛雷易克的穿針引線下,讀者將會在一路上隱隱約約看見這些風景。

更高維度是否真的存在或者只是數學上的概念?圖/geralt @pixabay

熱力學定律能指出時間的方向

最後,我們再來認識一個和時間有關的物理領域:熱力學。熱力學是探討溫度(能量的一種形式)、系統與環境的能量轉移的一門科學,從八○年代開始,為了增加蒸汽機效能的了解而發展。在熱力學中有些過程一旦發生是無法回到之前狀態的(例如將一杯水倒入大海中),稱為不可逆過程。了解不可逆過程的一種看法是觀察系統的微觀狀態的統計性質──在各種可能的微觀系統組合中,系統的狀態會趨於最可能出現的狀態。不同的系統狀態根據不同微觀系統組合的可能程度,擁有不同的「」值。

熱力學中的其中一個定律就是,系統的熵值只會保持不變或是變得越大。後者的陳述描述了不可逆過程,也讓時間有了一個能分辨的方向。就像第六章裡提到的,這讓時光旅行的討論變得更加複雜。

「時間」,我們對它為何那麼熟悉又陌生的可能原因之一是,它有太多的名字:很久很久以前、小時候、當初年輕時、長大後、下一世代、未來……。另一個原因是它也有太多的身分:時間是金錢、是沉澱、是養分、是變化、是河、是箭頭,也是通往永恆的起點(也或許是終點)。書中的最後一章,是我最有共鳴的章節。面對永遠,也許在我們的時間旅行中,都有過這樣的時刻:

Millions long for immortality who don’t know what to do with themselves on a rainy Sunday afternoon.(人們渴望永生,卻又不知道在下雨的周日午後要做什麼。)

──英國小說家蘇珊‧艾耳茲(Susan Ertz)

你最喜歡書中的哪個章節?如果你可以時間旅行,你想要做什麼呢?


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