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時間旅行(三)時間悖論

活躍星系核_96
・2014/08/18 ・1720字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 564 ・九年級

Credit: Brian Neudorff via Flickr
Credit: Brian Neudorff via Flickr

文/陳培興,部落格書寫隨興

〈時間旅行(二)回到過去和越到未來〉,我已介紹了「回到過去」和「越到未來」這兩種時間旅行方式,並提及到它們可能要面對的挑戰。其中針對「回到過去」的時間旅行,一直以來都有不少科學家和哲學家質疑它的邏輯可能性。這次我會介紹這些悖論,並提出另一個更扼要地指出「回到過去」可能隱含邏輯矛盾的簡易悖論版本。現在讓我們先說明最著名的祖父悖論:

祖父悖論(Grandfather paradox)

這個悖論據說是 1943 時由一個科幻小說作家René Barjavel 在其小說《不小心的旅行者》中提出的。他指出了「回到過去」可能衍生的矛盾事態:

假設時間旅行(回到過去)是可能的話,則時間旅行者就能夠回到祖父和祖母結婚的時空,並在父母存在之前殺死自己的祖父。如果時間旅行者的祖父被殺,時間旅行者的父母就不會出生,繼而時間旅行者亦不會出生。但是,如果時間旅行者不會出生,他就不可能存在並且回到過去的時空殺死祖父,但如果時間旅行是可能的,他原則上能回到過去實踐。如此往復。[1]

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這個悖論對你來說可能耳熟能詳,但本文真正想介紹的是另一個更簡單、扼要地指出「回到過去」可能隱含邏輯矛盾的悖論版本,且名之為:存在悖論(Existence paradox),這個版本是這樣的:

存在悖論(Existence paradox)

假設時間旅行(回到過去)是可能的話,則時間旅行者就能夠回到過去的時空。而如果我們同意過去總有某一個時空沒有他的存在,那麼當他回到過去某一個並沒有自己存在的時空,這時他在該時空就是存在的。這樣的話,就會出現在過去某一個時空α,時間旅行者存在並且不存在的矛盾。因此(根據歸謬法)回到過去的時間旅行是不可能的。[2]

上述內容可表達成以下論證:

(P1)回到過去的時間旅行是可能的。
(P2)如果時間旅行是可能的,則你可以回到過去。
(P3)如果你可以回到過去,則你能回到過去某一個並沒有你存在的時空α。
(P4)如果你能回到過去某一個並沒有你存在的時空α,並且付諸實踐,則該時空有你存在。
(P5)你回到的過去時空α並沒有你存在。
(P6)你回到的過去時空α有你存在。(∵P1、P2、P3、P4)
___________________________________________________________________
(C)回到過去的時間旅行是不可能的。(∵根據歸謬法假設P1真,P5 & P6 矛盾)

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以上的論證似乎指出了:如果「回到過去的時間旅行」是可能的話,亦即先假設命題(P1)為真,原則上可推論出互相矛盾的命題(P5)與(P6),由此證明命題(P1)為假的,換言之這種時間旅行是邏輯上不可能的。然而關於「回到過去」的爭論並沒有就此完結,過往亦有不少科學家和哲學家嘗試提出解決方法。在接下來的文章,我將會介紹試圖解決時間悖論的觀點,並且分析和評價它們的觀點能否解決時間悖論。[3]

附註

  1. 另外還有一些異曲同工的版本,可稱它們作因果循環(Causal loop / Predestination paradox)或者是無中生有悖論。簡單來說就是指出如果相對論是由愛因斯坦提出,但當時間旅行者「回到過去」告訴他,就會消除了相對論是由愛因斯坦提出的事實,那麼相對論到底誰提出的呢?
  2. 所謂一個論證運用了歸謬法(Reductio ad absurdum),即是先假設一個命題P為真,若由此推論出互相矛盾的命題q和~q,則可證明原先的假設為假。另外,不少人在運用歸謬法證明時間旅行的時候,往往沒有注意到「時間旅行」的歧義。其實應該先說明正在討論「回到過去」還是「越到未來」,否則會容易引起誤解,令人誤以為兩種方式都不可能。
  3. 這兩個理論是:(一)平行宇宙(Parallel universes)和(二)歷史一致性原則,以及(三)時間循環理論。

參考資料

  • Hospers, John. An Introduction to Philosophical Analysis. 4th Edition. London: Routledge, 1997, pp. 121–122.
  • Carroll, John. 2008. A Time Travel Website. 

延伸閱讀

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活躍星系核_96
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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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時空旅行有可能嗎?我們如何感受時間?談談那些神秘的時空理論!
PanSci_96
・2023/06/25 ・3872字 ・閱讀時間約 8 分鐘

時空旅人存在嗎?霍金的未來派對

回到過去不只是科幻迷的夢想,每個人或多或少,都有一兩件想要改變或挽回的事。可惜的是,我們在空間中可以自由移動,甚至走到馬路對面再走回來,回到起點。(當然,也有人走個斑馬線就到了異世界)然而在時間軸上,我們卻不斷地向前進,不能倒頭。這是為什麼呢?

物理大師史蒂芬.霍金,對時間的研究可說是不遺餘力,他也透過著名的《時間簡史》、《大設計》等著作,向我們闡述宇宙與時空的奧妙。霍金是位時空旅行的夢想家,為了驗證世界上是否真的有時空旅人,他甚至曾經做了一個有趣的實驗。

2009 年 6 月 28 日中午 12 點,霍金認真地在劍橋大學舉辦一場盛大派對,桌上擺了美食與香檳,一旁的柱子上還綁了三色氣球。霍金仔細地準備好公開邀請函,上面寫著「誠摯地邀請您參加時空旅行者派對」,附上時間、地點甚至是準確的經緯度,希望時空旅人沒有迷路的藉口。

邀請函對外公開時間是派對結束「之後」,他確保這個訊息可以流傳數百年,並希望有時空旅人能看到邀請函,回到過去參加這個派對。可惜的是,無人響應、無人到場。霍金認為這證明了他的推論——時間旅人不存在。當然,如果當時有時空旅人跳出來打臉他,他也會感到非常開心。還是你認為,這只是因為時空管理局下明令,禁止未來人透露各種訊息給過去的人類,對於結果其實不需要感到意外呢?

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為何我們不能讓時間倒轉?霍金的三支箭矢

在研究時空旅行之前,我們先來了解,為什麼我們總無法倒轉時間。

對於時間的流向,霍金提出了「三支箭矢」的構想,這不是安倍晉三的經濟學箭矢,而是時間箭矢。這三支時間箭矢,分別為心理學箭矢、熱力學箭矢、和宇宙箭矢

心理學箭矢,就是我們生物感受到時間的流向。熱力學箭矢,則是熱力學中「熵」越來越大的方向,也是世上一切現象運行的方向。

所謂「熵」,是我們用來評估一個狀態的混亂程度的物理量。熵越大越混亂;例如,髒亂房間的熵比整齊的房間還大、摔成碎片的杯子熵比完整的時候還要大。根據熱力學第二定律,世間一切現象都會朝著熵變大的方向發展:杯子一定會摔碎、裡面的水一定會灑滿一地。但是,我不是可以把髒亂的房間整理整齊嗎?沒錯,但熱力學告訴你,在你整理房間的時候,你可能為世界增加了 20 點的秩序量,但你身體因為運動放出的熱能,可能會為整個宇宙增加 100 點的混亂量,整體的熵還是增加的。

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熱力學告訴你,在你整理房間的時候,你可能為世界增加了 20 點的秩序量,但你身體因為運動放出的熱能,可能會為整個宇宙增加 100 點的混亂量,整體的熵還是增加的。圖/envatoelements

至於最後一根箭,宇宙箭矢,則是宇宙膨脹的方向。宇宙在膨脹過程中,粒子會越加分散,熵也會持續增加,因此宇宙箭矢會與熱力學箭矢同方向

回到體感時間,既然熱力學箭矢代表世界運行的方向,如果熱力學箭矢與心理學箭矢的方向相同,那我們就會看到杯子掉到地上摔破、水灑出來。但如果反過來,熱力學箭矢跟心理學箭矢反向飛行,那我們就能看到天能中的逆熵,我們會看到杯子從碎片修復、回到桌上,水也跟著回到杯子之中。

既然如此,那我們要怎麼讓這兩支箭矢反向飛行呢?遺憾的是,因為我們的這具肉身限制,要感受環境、需要外界訊號刺激,並且轉為神經訊號到大腦;要思考,神經細胞必須透過呼吸作用,取得能量來持續運作。我們的一舉一動,建立在生物與化學反應上,也因此必須遵守熱力學第二定律。如果不遵守,我們甚至無法獲得能量,生命根本無法維持。這種現象也被稱為「弱人擇原理」。

為何心理學箭矢和熱力學箭矢必須同向?因為不同向,我們就無法存在,也就無法思考這個問題。

超光速可以連接過去?

在 DC 宇宙的影視作品中,能穿越時間的閃電俠肯定是經典代表。在 DC 宇宙,透過神速力的加持,閃電俠可以突破光速,回到過去。這會發生什麼事情呢?

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根據相對論,在速度接近光速時,時間會變為相對,對於不同速度的觀察者來說,也會產生歧異。舉例來說,如果閃電俠在路上與粉絲打招呼,卻被蝙蝠俠催著去開會。無奈的他,只好與粉絲說掰掰,接著以超光速前往蝙蝠俠基地,準時趕上會議。如果粉絲這時候用望遠鏡看著這一切,他們會看到,閃電俠先跟自己說了掰掰,接著才趕上遠處的會議,而且以距離計算,閃電俠肯定超越了光速。

粉絲的時空視角:閃電俠先跟自己說了掰掰,接著才趕上遠處的會議。圖/Pansci

然而神奇的事來了,如果此時蝙蝠俠等得不耐煩,突然想回高譚市與小丑敘敘舊,他拿出了從沒有任何人知道的特製蝙蝠車,一台可以以接近光速移動的蝙蝠車,從基地離開。就在這個時候,從他的角度觀察閃電俠,他會發現,閃電俠先到達了會議室,接著才發生遠處閃電俠與粉絲說掰掰的場面。蝙蝠俠和粉絲們看到的情景大不相同,不同觀察者的時間產生歧異了。

蝙蝠俠的時空視角:閃電俠先到達了會議室,接著才發生遠處閃電俠與粉絲說掰掰的場面。圖/Pansci

甚至對於獲得高速移動能力的蝙蝠俠來說,如果他的蝙蝠車也能以超光速移動而且速度夠快,他甚至能在閃電俠到達會議室前,就先跑去正在與粉絲說掰掰的閃電俠旁邊,告訴他開會的會議結論,你不用再跑一趟了。

看來透過超光速回到過去,還真的是有可能的。但別忘了相對論施加的限制,要將物體越加速到接近光速,所需要的能量就越大。如果要將有質量的物體加速到等於光速,就需要無限大的能量。或許閃電俠的神速力確實能辦到,當然這也就代表,閃電俠或許是DC宇宙中無敵的存在了。

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顯然,沒有神速力,也不是超級英雄的我們,把自身加速到超光速來時間旅行,顯然不是一個好選項。但如果我們能扭曲時空、建立捷徑,達成超光速呢?

就算兩地相隔數公里,如果我們能將時空對折,並在中間打一個洞,創造出一個任意門,只要跨過一步就能跨越原本要走上半天的路程,不就超光速了嗎?事實上,不能超光速移動的我們,跨越時空的「蟲洞」,很有可能就是我們最後的選項。

蟲洞有辦法被製造嗎?

蟲洞的概念不只是存在於科幻小說的情節,1935 年,愛因斯坦與羅森發表一篇論文,指出根據廣義相對論的計算,在某些條件下,宇宙中可能出現連接不同時空區域的「蛀孔」,稱為愛因斯坦——羅森橋,也就是我們說的「蟲洞」。

蟲洞在地面可能的樣子。圖/wikipedia

正常來說,宇宙中的能量或有質量的物質,會在宇宙中產生如同球面的正時空曲率,產生引力。如果想要產生負時空曲率,將時空向內凹陷,創造出蟲洞,我們就需要創造出負能量或具有負質量的物質。

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那麼要怎麼做出負能量或負質量的物質呢?

接下來我們進入到腦洞大開的環節:還記得我們在量子系列第五集,介紹薛丁格的貓時提到的不確定性原理嗎?根據這個理論我們可以預測,就算在空無一物的「真空」中,其實非常熱鬧。在真空中,會不斷出現正粒子反粒子組成的虛粒子對,他們一起出現,又重新碰撞、互相湮滅,這個過程被稱為量子漲落。雖然兩種粒子會互相湮滅,但不論正、反粒子都是擁有正能量與正質量,在量子漲落的過程中,為了維持整體的能量穩定,某些地方出現正能量密度,某些地方就會出現負能量密度。以此架構延伸,我們便能在真空中設計兩塊金屬板,能透過卡西米爾效應,在兩塊金屬板中,創造出負能量的區域。而這個卡西米爾效應,也在 1996 年在實驗中被實際觀測到。

卡西米爾效應示意圖。圖/wikipedia

透過蟲洞時間旅行有可能嗎?

那麼通過蟲洞時間旅行是可能的嗎?根據後來的計算,愛因斯坦——羅森橋,也就是蟲洞的存在時間非常短,會在太空船通過之前,就塌縮成奇異點。而蟲洞的通道大小,也不足以讓任何粒子大小的物體穿過。

但霍金沒有將可能性說死,或許將來,會有技術可以撐開並維持蟲洞的存在,足以讓人類穿梭而行。或許時空旅行,將成為現實。除此之外,超弦理論也有一些說法證實蟲洞可能存在,但目前弦理論都還僅止在數學計算,還未能應用在實際現象中。

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但你說,霍金不是已經透過時間旅人派對證實,沒有時空旅人了嗎?霍金解釋,根據時間悖論問題,我們看不到時空旅人,是非常正常的。至於為何無法修改過去,產生時間悖論,有可能是當過去已被「測量」,那宇宙就不能再被更改,又或是真的有某種有形或無形的時空管理局,在維持這個世界的安全呢?

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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
時報出版_96
・2019/02/04 ・5752字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 563 ・九年級

  • 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。

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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)。

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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。

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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。

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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。

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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

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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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時報出版_96
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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。