回到過去?模擬旋轉宇宙試驗時間旅行

  據國外媒體報道,雖然我們常在好萊塢大片中看到時間旅行的場面,但現實中物理學家已經開始行動,他們首次演示了“回到過去”的時間旅行會是怎樣的情景。時間旅行的可視化演示是相當離奇的畫面,科學家在假設宇宙形狀的基礎上進行時間旅行,這一過程被認為是可行的,這可能會幫助我們理解仍然被籠罩在神秘色彩下的物質(物理定律)因果關係,為探索時間旅行的物理理論鋪平道路。物理學家在廣義相對論中發現了可存在封閉類時曲線的時空解,或許我們可利用這些特殊時空進行時間旅行

  科學家模擬一個類似地球的球體在哥德爾宇宙中“回到過去”的畫面

  研究人員使用計算機圖形技術,對宇宙中的光線(起源)進行跟蹤,這一成果不僅應用於時間旅行的研究,也可協助科學家對遠古星系光線的研究,這些光在宇宙中穿梭了百億年才抵達我們的望遠鏡。在愛因斯坦的廣義相對論方程中,我們推出了宇宙時空曲率,進而得到引力場方程,科學家發現在許多“假設宇宙”中允許時間旅行的發生,比如旋轉宇宙模型。

模擬類似地球的球體在哥德爾宇宙中“回到過去”的畫面

  早在1949年,新澤西州普林斯頓高等研究院科學家哥德爾發現了愛因斯坦引力場方程的神秘解,當處於解賦予的“旋轉宇宙”中時,物體運動可沿著一條封閉的曲線進行,即“封閉類時曲線”,它可描述偽黎曼流形中粒子在時空中運動的世界線(四維時空中的軌跡)。曲線定義下的粒子可通過時間循環而回到原來的空間中,當然“封閉類時曲線”並不是一種時間機器,它不能帶你回到過去,但如果沿著這條奇異的路徑,你將會前往未來的時空,然後在回到原點,恢復原來的時空狀態,這就有點兒像你向左轉後發現自己回到了上個星期。

  依據哥德爾宇宙(整體旋轉宇宙)中存在的奇怪路線,科學家認為我們似乎可以“超光速”旅行,然而我們現實中的宇宙可以想像為在大質量天體周圍圍繞著“看不見的曲線”,如同蹦床上的保齡球。哥德爾宇宙具有一個無限寬的旋轉中心軸,以及無限長的物質分佈,這個理論已經在過去從數學的角度進行了研究,但該團隊的理論物理學家沃爾夫岡·施萊希第一次對該情況進行了可視化預見。科學家使用射線來跟蹤模擬一個類似地球的物體處於圓柱狀旋轉宇宙中所發生的情景,通常情況下,射線跟蹤可繪製一條從虛擬攝像機到三維空間的直線。

  哥德爾宇宙存在兩個不同的特點:第一,由於哥德爾宇宙是一種整體旋轉式的時空,光線在其中以螺旋態移動;第二,旋轉宇宙的外部“線速度”比內部要快,因此這裡就存在一個邏輯上的半徑,可以滿足運行速度超過光速,但是光線不能穿過圖3中的中軸線,這樣類似地球狀的物體就像一面鏡子的對稱鏡像,將光線反射回中心。此外,對光線的控制還可以取得一些奇怪的效果,在地球前部的光線呈現出扁平狀,來自地球後面的光線被圓柱形的地平線所反射,這樣前後光線抵達就會出現時間差,這就是對“過去”的可視化成像。

  其中最引人注目的是,你可以在不同的時間點上“同時”看到同一個物體的兩個可視化圖像。根據沃爾夫岡·施萊希介紹:“當研究團隊沿著圓軌道移動那個地球時,發現了更多奇怪的現象,在不同的時間點上,許多其他圖像也接踵而至,形成類似連貫性的時空扭曲景象。奇怪的是,其中並不涉及現實宇宙中的時間旅行,這只是將宇宙的外觀在給定的時間點上進行重新創建。為了將時間旅行進行可視化表達,研究小組將一個球體沿著封閉類時曲線運動,為了簡單起見,使用顏色來表示其年齡(時間旅行前後)變化。

  科學家們將年輕(未來)的紅色球體與年老(過去)的藍色球體沿著封閉類時曲線進行碰撞,模擬一個物體進行時間旅行時發生的現象,很顯然兩者接觸後紅色的球體沿著封閉類時曲線向未來移動,它最終還會進入環路回到過去,即變成藍色球體所代表的時空,這一過程將往復進行。同時,藍色的球體則會離開封閉類時曲線,由於它並不向未來移動,因此其顏色繼續加深,變成了紫色,代表其處於年齡更老的過去。

  從上面這個模擬視頻可以看出,似乎物體很難回到未來,但是它提供了關於愛因斯坦理論獨特的解,來自馬薩諸塞州科技學院研究人員馬克斯·特格馬克認為我們發現光線跟蹤可視化可以深化我們對廣義相對論的理論。科羅拉多大學研究人員安德魯·漢密爾頓也同意這個觀點,這個視頻讓奇怪的時間旅行變得可以理解,但重要的是我們還不知道為什麼在我們的宇宙中,時間似乎只向前移動,根據物理定律,我們宇宙中的物體無法在時間軸的前後移動,而可以在空間中自由移動。

假想示意圖

  從更深層次的角度看,物體的因果關係(物理定律)是宇宙最深的奧秘,而方程中也可能存在因果關係失效的地方,就比如哥德爾宇宙,可能為我們提供了一個新的關於時間旅行的研究途徑。我們目前所知的哥德爾宇宙並不是我們現實中宇宙的模型,在這個宇宙時空裡,宇宙的旋轉可以帶動邊緣的光線,沿著封閉曲線運動。這與我們宇宙中的黑洞旋轉類似,黑洞的引力拖動了周圍時空的旋轉,形成一個旋轉的球體,科學家邁克爾·布塞認為我們期待類似的效應出現於其他時空區域,也可能存在於我們的宇宙中。

  模擬時間旅行宇宙可視化技術顯示了對光線路徑在極端方式下的操作,雖然它們並沒有產生封閉類時曲線,但其可以開發成扭曲空間中的光線跟蹤等新技術,用於新一代的空間望遠鏡中。魏茨曼科學研究所科學家烏爾夫·倫哈德認為當遠古星光通過大質量恆星或者星系周圍時,我們可以探測到它們的信號。




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