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《黑洞与时间弯曲》母子怪圈

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在我们的论文激起的抗议中,最有力的是我所谓的母子怪圈1:假如我有时间机器(虫洞的或者别的),我就能通过它回到过去,在母亲怀我之前把她杀死,这样就不会让自己出生来害母亲了。2

母子怪圈的中心问题是自由意志:作为一个人,我有没有决定自己命运的能力?我真能回到过去杀母亲吗?或者(像多数科幻小说写的那样),当我在她睡梦中举刀的时候,会有什么东西无情地令我住手吗?

即使宇宙中没有时间机器,自由意志现在也是令物理学家手足无措的问题。我们通常总是逃避它,认为它不过是将原本清楚的事情弄得更糊涂罢了。在时间机器问题上,更是如此。所以,在文章发表之前(当然,也在和密尔沃基的同行们认真讨论以后),莫里斯、尤泽维尔和我决定完全回避自由意志问题,坚持不在文章里讨论人类穿越虫洞的事情;我们只谈了一种简单的非生命时间旅行,如电磁波的时间旅行。

文章发表前,我们考虑了很多关于波动通过虫洞回到过去的问题,没有发现在这些波的演化中有什么不可解决的疑惑。最后(也因为弗里德曼的重要启发),我们相信可能不会有解不开的怪圈,11在文章里也是这样猜想的。3我们甚至还将猜想推广了,认为任何穿过虫洞的非生命物体都不会产生解不开的怪圈。就是这个猜想,引来了强烈的反对。

我们收到的最有意思的一封信,来自奥斯丁德克萨斯大学物理学教授波尔琴斯基(Joe Polchinski)。他写道,“亲爱的基普,……假如我没理解错,你猜想[在你用虫洞做的时间机器中不会出现解不开的怪圈]。在我看来,似乎……不是这样的。”接着,他巧妙地把怪圈改成一种简单的形式——从自由意志问题中解脱出来了,于是我觉得可以好好来分析:

拿一个成了时间机器的虫洞,把两个洞口放到行星际空间,相互靠近而且静止不动(图14.9)。现在,从某个恰当的地方以恰当的初始速度向右洞口发射一只台球,球将进入右洞口,沿时间返回,在进入右洞口前(照你我在虫洞外的观察),从左洞口飞出,正好击中原来的自己,从而使它不能进入右洞口回来打自己。

这种情形与母子怪圈一样,都需要回到过去,改变历史。在母子怪圈中,我回到过去,杀了母亲,使她不能生我。在波尔琴斯基怪圈里,台球回到过去,击中自己,使它不能回到过去。

图14.9 波尔琴斯基的台球怪圈。虫洞很短,已成为时间机器。从外面看,进入右洞口的任何事物会在进入30分钟前出现。洞口外的时间流记为t,台球自己经历的时间流记为τ。台球在下午t=3:00从图示位置发射,速度正好使它在t=3:45进入右洞口。球从左洞口出现比这早30分,即t=3:15,然后在t=3:30击中原先的自己,使它脱离轨道,不能进入右洞,从而不能回来打自己。

两种情形都没有意义。像物理学定律必须逻辑一致一样,由物理学定律所主宰的宇宙演化也应该是逻辑一致的——至少宇宙的经典(非量子力学的)行为应该是这样的;量子力学的行为则更难以捉摸。由于我和台球都是高度经典的事物(也就是说,只有在对我们进行极端精确的测量时,我们才会表现出量子力学行为,见第10章)。不论我还是台球,都不可能回到过去改变我们的历史。

那么台球到底发生了什么事情呢?为把它弄清楚,莫里斯、尤泽维尔和我集中考察了球的初始条件,即初始位置和速度。我们问自己:“在导致波尔琴斯基怪圈的那些初始条件下,是不是还存在别的台球轨迹呢?它们与图14.9不同,但同样是经典台球的物理学定律的逻辑自洽的解。”经过多次讨论,我们认为答案也许是肯定的,但还没有绝对的把握——也没有时间去弄明白了。莫里斯和尤泽维尔博士毕业了,要离开加州,到密尔沃基和特里斯特去做博士后。

幸运的是,加州理工学院的好学生源源不断,又来了两位:埃切维里亚(Fernando Echeverria)和克林卡默(Cunnar Klinkhammer)。他们接过波尔琴斯基的怪圈继续研究:经过几个月断续的数学论证,他们证明,从波尔琴斯基的初始条件出发,确实存在自洽的满足所有经典物理学定律的台球轨道。实际上,存在两条这样的轨道,如图14.10。13我将以台球自己的观点依次描述这两条轨道。

在轨道(a)(图14.10左),一只新白球从下午t=3:00出发,沿着与波尔琴斯基怪圈完全相同的路线(图14.9)向着右边的洞口运动。半小时后,t=3:30时,这只新的白球被一只看起来旧一些的花球(我们将看到,它是那只球未来的自己)撞在左后边缘。碰撞很轻,新球只稍微偏离了原来的路线,但白球还是被撞成了花球。这只新的花球继续沿着偏离的路线运动,在t=3:45时进入虫洞口,回到30分钟以前,在t=3:15时从另一洞口出来。由于路线与波尔琴斯基怪圈的相比发生了偏转,从虫洞出来的变旧了的花球在t=3:30时从它原来自己的左后边缘轻轻擦过,而不像图14.9那样发生强烈的碰撞和巨大的偏转。这样,球的经历是完全自洽的。

图14.10 波尔琴斯基的母子怪圈(图14.9)的解决:一只在下午3:00以与波尔琴斯基怪圈相同的初始条件(相同的位置和速度)出发的台球可以沿这里的任何一条轨道运动。每条轨道都是自洽的,而且处处满足经典物理学定律。

轨道(b)(图14.10右)与(a)相同,不过球的碰撞方式有些不同,相应地,碰撞的路线也有些不同。特别是,从左洞口出来的旧花球的路线与(a)不同,它沿着这条路线将赶到新球的前头(而不是后面),从它的右前缘(而不是左后边缘)轻轻擦过。

埃切维里亚和克林卡默证明,轨道(a)和(b)都满足台球运动的一切经典物理学定律,因此都可能在真实宇宙中发生(假如真实的宇宙能有虫洞做的时间机器)。

这是最令人不安的。在没有时间机器的宇宙中,这样的情形是永远不会出现的。没有时间机器,一组台球的初始条件只能决定一条而且惟一一条满足所有经典物理学定律的轨道。球只有惟一的运动形式。时间机器把这些都破坏了,现在出现了两种同样合理的球的运动的预言。

实际上,事情比我们现在看到的更糟:时间机器能为球的运动做出无限多个同样可能的预言,而不只是两个。卡片14.2说明了一个简单例子。

卡片14.2 台球危机:无限多轨道14

一天,我正坐在旧金山机场等飞机,突然想,假如一个台球从虫洞时间机器的两个洞口之间飞过,那么它可能沿两条轨道旅行。一条(a),球无破坏地从两洞口间冲过去;另一条(b),球通过时被撞向右边的洞口,然后进入虫洞,在进洞之前从左洞口出来,与自己相撞,然后飞走。

几个月后,福瓦德(激光干涉仪探测器的先驱者之一(第10章),也是位科幻小说家)发现了满足一切经典物理学定律的第三条轨道,15即下面的轨道(C):碰撞不是发生在两洞口间,而发生在球到达洞口邻近以前。我后来发现,假如球在经历两次碰撞事件之间多次穿过虫洞,那么碰撞还可以越来越早地发生,如(d)和(e)。具体说,在(e)的情形,球沿路线α向上,与它未来的自己碰撞,沿着β进入右洞口,然后穿过虫洞(回到过去),从左洞口出来,又沿γ穿过虫洞(回到更远的过去),然后沿δ再穿过虫洞(回到更更远的过去),从ε出来,去与它自己碰撞,偏向ζ落下。

显然,有无限多条轨道(每一条经过虫洞的次数不同),从完全相同的初始条件(相同的初始位置和速度)出发,都满足经典(而不是量子)的物理学定律。它留给我们的问题是,物理学是不是疯了?或者,我们想知道,物理学定律能用什么办法告诉我们球应该走哪条轨道吗?

时间机器令物理学疯狂了吗?令它失去了对事物演化的预言能力了吗?如果没有,那么物理学定律如何从无限多个可能中选择一条台球会走的轨道呢?

为了寻找答案,克林卡默和我在1989年从经典物理学定律转向了量子定律,为什么呢?因为它们才是我们宇宙最终的法则。

例如,量子引力定律将最终把握引力和时间与空间的结构。爱因斯坦经典的广义相对论引力定律不过是量子引力定律的一种近似——在远离一切奇点,在时空尺度远大于10-33厘米时,近似是非常准确的,但毕竟还是一种近似(第13章)。

同样,学生和我用以研究波尔琴斯基怪圈的经典的台球物理学定律,也不过是量子力学定律的一种近似。由于经典定律似乎预言了一些“废话”(无限多个可能的台球轨道),为了更深入地认识,克林卡默和我才转向了量子力学定律。

量子物理学中的“游戏规则”大不同于经典物理学的。在给定的初始条件下,经典定律预言将要发生什么(如台球会走哪条路);而且,如果没有时间机器,它们的预言是惟一的。量子定律则不同,它们只预言将要发生的事件的概率(例如,球通过空间这个或那个区域的概率),而不是确定性的东西。

从量子力学的这些“游戏规则”看,克林卡默和我根据量子力学定律所得的答案也就不那么令人惊奇了。我们发现,假如球出发以后沿波尔琴斯基怪圈的轨道(图14.9和14.10,在下午t=3:00时刻),那么它接下去走哪条路线,都有一定的量子力学几率,例如,图14.10(a)的几率为48%,(b)的几率为48%——对无限多经典定律所允许的每一条轨道,它都有一定的(小得多的)概率。任何一次“实验”,球只能走某一条经典路线;但如果我们做大量相同的台球实验,那么其中有48%的球会走轨道(a),有48%走轨道(b),依此类推。

结果多少还是令人满意的。它似乎说明物理学定律可能会很好地使自己适应时间机器。当然也有些令人惊讶的东西,但似乎没有任何怪异的预言,也没有任何解不开的怪圈。16实际上,如果《国家调查者》杂志(National Enquirer)听说了,可以很容易打出一个通栏大标题:物理学家证实存在时间机器。(当然,我还是害怕报刊会把这些东西曲解成怪物。)

1988年秋,我们的论文,“虫洞、时间机器和弱能量条件”发表3个月后,《旧金山检查者》(San Francisco Examiner)记者戴维森(Keay Davidson)在《物理学评论通讯》上看到了,于是故事传开了。

这样一来,事情就更糟了。在那3个月里,至少物理学界很安静,他们在考虑我们的思想,而不是要听什么张扬和吹嘘。

但张扬是挡不住了。物理学家发明时间机器,这是常见的标题。《加利福尼亚》杂志在“发明时间旅行的人”的文章里,甚至登出一张我在帕洛玛山赤膊工作的照片。我很惭愧——不是为照片,而是为那些离谱的宣扬,说我发明了时间机器和时间旅行。17事实上,就算物理学定律允许时间机器(在本章最后可以看到,我怀疑这一点),人类现在的技术能力离它还远得很,比洞穴野人离太空旅行还要遥远。

我和两个记者谈过,才发现没有办法抵挡这潮流,也没有办法让他们把故事讲得更准确,还是一个人躲起来吧。我的后勤助理莱昂(Pat Lyon)却被大家包围了,他只好搪塞说:“索恩教授相信,向大家公布研究结果,现在为时尚早。时间机器是否为物理学定律所禁止,等他觉得有了更好的认识后,会为大家写一篇文章来解释的。”

我写这一章,就是在履行那个诺言。

[1] 在多数科幻小说作品中用的是“祖父怪圈”而不是“母子怪圈”。也许,这些小说作家们都是尊重女性的大侠,觉得回到过去谋害一个男子会更心安一些。(原文“ matricide paradox ”应为“弒母怪圈”,我回避了“那个”字,觉得这样更好。——译者)

[2] 我们兄弟姐妹四个都很尊敬孝顺母亲,例如,你可以看第7章的那个脚注。我在这儿举的例子是经母亲同意了的。

[3] 3年后,弗里德曼和莫里斯一起设法严格证明了,波通过虫洞回到过去时,确实不会产生解不开的怪圈——只要波线性叠加的方式与卡片10.3讲的相同。12