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時間旅行(五)歷史是一致的,我們只是忘記了過去?

活躍星系核_96
・2014/08/20 ・1947字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 540 ・八年級

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Credit: Trey Ratcliff via Flickr
Credit: Trey Ratcliff via Flickr

文/陳培興,部落格書寫隨興

上一篇文章,我們提及若要避免「回到過去」所衍生的時間悖論,似乎就要證明「回到過去」和「過去不會改變」是可能同真的,接著分析了平行宇宙(Parallel universes)的觀點能否解決時間悖論。這次承接上文,本文會介紹另一個試圖解決時間悖論的觀點:歷史一致性原則。[1]在介紹這觀點之後,本文會分析並評價它是否成功應對質疑。

那什麼是歷史一致性原則呢?這個觀點並不依靠平行宇宙的假說,主張同一個宇宙發生的時間旅行是可能的(回到過去),並且不會衍生時間悖論。因為無論時間旅行者在過去做什麼,事件的因果關係也只有一致時才可能發生,否則歷史會自行修正和調節,最後使同一個既定的結果產生。

對於這個觀點較強的解釋是因果決定論(determinism)的主張[2],意思是世界所有事件的發生都是被因果決定的,對於任何的事件E,存在一組原因C1~ n,如果C1~ n發生,E就會發生。世界的所有事件就像一早已被編排好的劇本,它們只會以唯一的方式呈現。時間旅行者之所以會作出某些決定,是因為某些原因令他必然地會如此決定。在這種解釋下,雖然「回到過去」是可能的,但卻無法改變過去。

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歷史一致論的觀點很有趣,讓我舉個例子說明:假設有一個時間旅行者很討厭希特勒,並且對失敗的刺殺事件感到深深不忿,決定自行「回到過去」下手。當他安排好一切之後,正要扣動扳機時才發現帶來的手槍卡彈了。結果希特勒安然無恙,而歷史上卻出現了失敗的刺殺事件。然而,在因果決定論的解釋下,他的失敗是注定的(希特勒的存在就是證明),而且他所知道的失敗事件也包括這宗。回到過去只是重演一次失敗經歷,並不會因而衍生時間悖論。

另外如果你有看過《尋秦記》這齣香港電視劇,應該可以幫助你理解。劇中一開始考古學家發現了秦朝的時間通訊器,及後主角被傳送到過去生活,他在戰國時期所做的一切,竟然是促成秦始皇暴政結局的原因,最後又留下自己的時間通訊器。亦即是說:主角並沒有改變歷史,他回到過去(秦朝)的經歷,其實早已是過去的一部分,只是忘記了或者沒有被歷史記載。

雖然歷史一致論的觀點可能要預設「原因可以後於結果」,但仍然有不少人接受這個觀點。然而,這個觀點真的成功解決時間悖論嗎?本文認為仍可提出以下質疑:

僅僅回到過去就可能衍生時間悖論 

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過去是由一連串的事件所構成,其中包括時間旅行者在某個時空α存在與否的事實。假如我們肯定「回到過去」的時間旅行是可能的話,而且同意以下這兩項假設:

  1. 過去總有某一個時空並沒有時間旅行者的存在,
  2. 時間旅行者能夠並且會實踐回到過去某一個自己並不存在的時空。

那麼當他回到過去某一個自己並不存在的時空,就會與過去某項事實產生抵觸,導致「在過去某個時空α時間旅行者存在並且不存在」的矛盾。

以上這個論點雖然有幾項假設,並且要依賴這幾項假設才會成立。但我認為這幾項假設還算是合理的,始終我們很難接受一方面「回到過去」的時間旅行是可能的話,另一方面又只能夠回到過去自己存在的時空。另外,很少人接受世界所有事件的發生都是因果決定,並不存在任何其他可能性。總而言之,雖然因果決定論似乎能證明「回到過去」和「過去不會改變」是可能同真的,但如果你認同以上的幾項假設,那麼就不算證明了你心目中的時間旅行是可能的。

附註

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  1. 以往不少科學家和哲學家都提出過相似的觀點,譬如是耳熟能詳的諾維科夫自洽性原則(Novikov self-consistency principle),或者是當代著名的哲學家 David Lewis  The paradoxes of time travel 一文內都有詳述。由於這些觀點都很相似,以及由誰先提出並不是本文要旨,故暫且以歷史一致性原則稱之。
  2. 另一個較弱的解釋比會像宿命論(fatalism),意思是世界的某些事情是被先前的某些原因決定的,不論你在過程中做什麼都無法避免。比如事件α(你在小時候踩到牛糞)決定了事件β(長大後成為印度教徒),這個因果關係是不會因過程中的因素而改變的。

參考資料

  • Lewis, David. 1976, “The paradoxes of time travel”, American Philosophical Quarterly, 13: 145–152.  

延伸閱讀

文章難易度
活躍星系核_96
752 篇文章 ・ 122 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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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

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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

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  • 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
174 篇文章 ・ 34 位粉絲
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。

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【GENE思書軒】我們都是時間旅宅
Gene Ng_96
・2019/02/03 ・2953字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 540 ・八年級

中國有一陣子很流行穿越劇,一堆現代阿宅穿越到了古代,多到似乎留下不少現代物品,以致於在古裝劇裡穿幫出現代物品,編劇都可以大剌剌地宣稱那是另一部劇埋下的梗……

不過,據說現在穿越劇也跟娘砲、靈異、BL、嘻哈、犯罪、炫富、霸凌、貧富……等等題材一樣被禁了,因為中共高層顯示是擔心太多穿越會搞亂歷史,真是心懷天下蒼生啊。如果真可以改變歷史,我想那些編劇應該很想寫部限制級穿越劇本,劇情只有個變態穿越到過去逼迫那些高官的老爸們把他們全部射在牆上吧!或者,既然怕搞亂歷史,不如送他們一些鐘吧。

這裡很多鐘,請自取。圖/geralt @pixabay

老實說,我是一部穿越劇都沒看過,也不知道它們有趣在哪。如果有一天我不小心睡醒穿越到了古代,在一個沒有電、沒有網路、沒有手機的年代,我是要如何生存啊?穿越回去就成了先知嗎?那時候,我一定非常後悔沒把歷史上每個年代和人物給鉅細靡遺地背到滾瓜爛熟,然後一整個在狀況外……這想想就太恐怖了……

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你要一台時光機幹嘛咧?

我在教演化生物學時,常跟學生說,演化生物學是門歷史科學,因為沒有時光機,我們無法回到過去眼見為憑,所以只能從生物在生理、解剖、生化、遺傳等等留下的各種蛛絲馬跡來推斷過去發生了什麼事。歷史學更不用說了,也要靠遺留的文獻、遺跡、傳說等等拼湊過去。然而,即使有了時光機,我們回到歷史現場就能判案了嗎?太多事情的發生都有其脈絡,即使有了時光機,就沒了羅生門嗎?

演化生物學是門歷史科學,需要從各種線索拼湊過去。圖/falco @pixabay

姑且不論這些古怪的想法和劇情,時間旅行本來就是很普遍的科幻題材,但是我也非常好奇,為何時間旅行有這麼大的吸引力呢?讓科幻小說家樂此不疲地創作相關題材。會一再成為小說題材,當然是因為迄今還沒人辦到呀,過去對著手錶說話傳視訊是幾十年前科幻片的劇情,現在你對著智慧手錶說再多話,都沒人多看你一眼,除非你正在爆料……

其實想想很有趣,我們在空間中的移動,可以上下左右前後,可以「唉呀,我跳進來啦。怎樣?我又跳出去了,唉呀,我又跳進來啦!打我啊笨蛋!」可是,在時間上,我們卻不能這樣跳回過去啊,又跳到未來去啦,別打我啊笨蛋!

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跳出來又跳回去。GIF/Youtube

人們對於時間的觀念是變動的

那麼時間旅行的概念又從何而來?是知曉了愛因斯坦的相對論後,還是愛因斯坦讀了科幻小說才有了靈感?時間,從古至今對人類來說都是一樣的嗎?那什麼是時間呢?

科普暢銷經典《混沌:不測風雲的背後》Chaos: Making a New Science和《資訊:一段歷史、一個理論、一股洪流》The Information: A History, a Theory, a Flood作者詹姆斯.葛雷易克(James Gleick)在他的新作《我們都是時間旅人:時間機器如何推動科學進展,影響21世紀的人類生活Time Travel: A History)就要來告訴我們歷史、哲學、文學、影視和科學中的時間文化誌。

《我們都是時間旅人》告訴我們,人類和時間概念的關係並非一成不變的。科幻大師 H‧G‧威爾斯(H. G. Wells,1866-1946)寫下《時間機器》The Time Machine後,才打開了人們對時間軸的想像,我們才能夠想到原來可以「唉呀,我跳到過去啦。怎樣?我又跳到未來去了,唉呀,我又跳到過去啦!打不到我啊笨蛋!」,至少在小說中可以這樣哦。

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不僅是西方的科幻小說愛用這時間旅行的元素,前述的中國影劇也愛(直到可能被禁為止),日本的科幻卡通也有不少,族繁不及備載。在《我們都是時間旅人》中,葛雷易克化身歷史學家,彷彿也搭了台時光機回到過去,不斷探索時間旅行幻科小說的歷史及意義,讓這本科普書充滿了濃濃的文學味。

我們熱衷於想像未來

未來主義誕生於工業革命後,而過去人類幾千年的歷史中,大多數技術上的變化往往要好幾十甚至幾百年才勉強看得出來一些些,直到最近幾個世紀,我們才能在一生中清楚看到科技的飛速進展,快速到沒幾年就有令人瞠目結舌的新科技出現。於是,人們熱切地想像未來的光景,才會有穿越到未來的科幻作品吧。

時間旅行除了到未來,當然還要回到過去啊。考古學家在過去的遺址挖出來有待破譯的東西可多的,但是別幻想了,它們幾乎全都不是寫給未來的考古學家看的,過去的人們連考古學的概念都沒有,更甭提會想到未來有人會對他們感興趣。只有當我們熱衷於想像未來,才會刻意為未來的考古學家留下所謂的時間膠囊,《我們都是時間旅人》就為我們介紹好些有趣的。不過,我想也不必這麼刻意啦,很多無法分解的垃圾,早就為未來的考古學家留下極為大量的東西來考察了。

未來的考古學家表示:太多了啦!圖/Pexels @pixabay

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我們對於時空的認知在物理學家的調教下,也從三維進化到四維。愛因斯坦、艾丁頓、惠勒、霍金等理論物理學家提出重力場、蛀孔理論、多重宇宙等等新學說,為時間旅行做出理論上的貢獻,例如封閉宇宙裡的閉合時間曲線,如果你找得到蛀孔(wormhole,舊譯蟲洞),就能玩穿越。當然這全都是理論,或者如果科學家找到了所謂的「快子」(tachyons)──比光速快的粒子,那就不再是想像。

時間究竟是什麼?

嗯,好吧,理論上可行,但是至少不再純粹是天方夜譚。然而在邏輯上,時間旅行卻製造了一個麻煩的悖論:如果有個變態回去殺了他那還是小正太時的老爸呢?好吧,人性本善,所以回去殺了希特勒呢?時間旅行把已經不容易搞清的因果關係弄得令人覺得好亂啊。

時間究竟是什麼啊?你我都認為自己知道時間是什麼,直到我們必須定義它的時候。我們的語言和認知限制了自身的時間觀和體驗,尤其是在隱喻的部分,像是工業革命後鐵路誕生,時刻表一再提醍我們要看看錶或鐘,或者資本主義的世界裡,時間就是金錢的概念。有人比喻時間就像條河。但實際上,時間並不如河,至少不會分成小支流,除非你以為那可以用來比喻多重宇宙。

在封閉宇宙中,一切都已經發生了,時間只是我們意識的錯覺。如果這是真的,那我們的未來是由命運還是自由意志所決定?

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《金剛經》(वज्रच्छेदिकाप्रज्ञापारमितासूत्र)云:「過去心不可得,現在心不可得,未來心不可得。」,如果我們這麼在乎過去和未來,那當下呢?

 

Gene Ng_96
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來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋