《科幻電影的預言與真實》:今天來認真討論「時光機」這件事(上)

《科幻電影的預言與真實》:今天來認真討論「時光機」這件事(上)
圖片來源:《回到未來》劇照
我們想讓你知道的是

《回到未來》其實一點也不創新。穿越時光是科幻題材的大宗,早在1895年,英國作家赫伯特.喬治.威爾斯就在作品《時光機器》中,創造出了「時間旅行者」的角色。於是我們要問的,顯然是一個新手級的問題:我們能穿越時間嗎?

唸給你聽
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文:瑞克.艾德華斯、邁可.布魯克斯

回到未來

這部電影(按:《回到未來》)真的不需要多做介紹了。這部在1985年以時光旅行為主題的傑作,年代已經十分久遠,就連在續集中所謂的「遙遠未來」,早已是過去的2015年了。米高.福克斯(Michael J. Fox)飾演的青少年馬蒂.麥佛萊(Marty McFly),被轉移到1955年的時空,意外破壞了父母的戀情,進而威脅到自身的存在。劇情引發了社會對於時光旅行固有悖論的討論,但比較少人分析片中裝在迪羅倫車上、使其成為時光機的「通量電容器」(flux capacitor)。根據發明者艾默.布朗(Emmett Brown)博士(由克里斯多福.洛依德〔Christopher Lloyd〕飾演,他的精采演出令人難忘)的說明,這個電容器只需要「一.二一百萬瓩」的能量就能啟動。我們認為,這是一個可能的機制,也沒有破壞已知的物理法則。

不過,《回到未來》其實一點也不創新。穿越時光是科幻題材的大宗,早在1895年,英國作家赫伯特.喬治.威爾斯(Herbert George Wells)就在作品《時光機器》(The Time Machine)中,創造出了「時間旅行者」的角色。於是我們要問的,顯然是一個新手級的問題:我們能穿越時間嗎?

帶我回去

時間是個奇怪的東西。因為愛因斯坦的狹義與廣義相對論就是這麼告訴我們。如同在《星際效應》那章裡看到的,這兩種相對論都顯示時間是可以被扭曲的,也能變慢或加速。

布朗博士一定也會告訴你:先考慮狹義相對論。這是愛因斯坦在他1905年的「奇蹟年」提出的理論之一,那一年他發表了一系列影響深遠的驚人論文,改變了很多我們在物理學上最習以為常的觀念。

狹義相對論的中心思想是:光速是恆久不變的常數。什麼意思?簡單來說,如果有一輛車頭燈亮著的車,與你同方向經過你身邊。相對於你,光會以光速c前進,而不是c加上車速。同樣地,如果車子和你反方向前進,車頭燈的光還是會以c的速度到達你這裡,而不是c減去車子的速度。

如果你不覺得光速不變聽起來很激進,那是因為你還沒搞懂它的言外之意。速度是每一單位時間涵蓋的距離,所以c維持不變,其實就是打亂了距離和(或)時間。在愛因斯坦的宇宙裡,測量到的時間長度以及時間間隔,都必須根據運動狀態而改變。太胡鬧了。

而距離這個東西是相對無趣的,代表的只是,如果瑞克以接近光速的速度,用超人姿勢飛過邁可身邊,那麼邁可測量到的瑞克身高(也可以說是長度),會比瑞克自己量他的偉大身高少非常多。瑞克只要以光速的百分之四十前進,就能讓邁可量到的身高和他自己量的結果相同。當然,瑞克一定會提出異議,因為他自己量到的身高一定都是雄壯的一九五公分。

好,所以這有點奇怪。但是,如果你比較的是你在地球上測量流逝時間的結果,和飛越地球的太空船上的測量結果,那你就知道尺的問題根本不足掛齒。

為了要讓所有觀察者的宇宙物理學一致,在太空船上的時間流逝速度,會比在地球上慢很多。不論你選擇用什麼方式測量,這一點都是成立的。假設瑞克留在地球上,邁可在太空船上,並以接近光速的速度發射到外太空裡,那麼在太空船上的鐘,走得會比在地球上的瑞克的手錶來得慢。但這具有更深層的意義:邁可的生理時鐘也比瑞克的慢許多,所以他真的會老得比較慢。邁可不會注意到,一切感覺都非常正常,可是當他以百分之九十九的光速移動接近十八個月之後,在他回到地球時,兩人之間最終會有接近十歲的差距。

如果我們追究這種科學理論的細節,會發現實際上並不是這樣的,因為有加速、減速、回頭等狀況,但是你知道大致的觀念是如此。線性的、無法改變的時間流逝觀念已經過時了。

所以,我們要怎麼處理愛因斯坦的禮物?這個嘛,從狹義相對論來思考,這其實沒什麼大不了的。我們能做的就是試著用非常非常快的速度移動,進入那些沒有和我們一起旅行的人的未來,像是要邁可去進行時光旅行,讓自己變得和瑞克年紀相同。

唯一真的做到這件事的是太空人。長時間生活在軌道上,代表他們繞著地球轉的速度,會比在地球表面的我們移動速度快上許多。比方說,在國際太空站待六個月,相對於在地球的朋友,你會比他們多出了○.○○七秒。全球定位系統(GPS)的衛星以每小時一萬四千公里的速度繞行地球,如果你可以坐在上面,那你每天都會比人家多幾毫秒。不過目前為止,最多只有人獲得額外的○.○二秒。這是俄國太空人謝爾蓋.克里卡列夫(Sergei Krikalev)在派對上最棒的話題了,他在軌道上待了八○三天。老實說,多出來的時間,大概也不夠讓他在酒吧喝醉,不是嗎?

廣義相對論使時光旅行較容易成真。首先,時間在較強大的重力場流逝得比較慢。在地球上,這代表你離地球中心愈遠,你老得就愈快,所以住在摩天大樓會老得比較快。事實上,光是長得比較高就足以加速衰老了。如果邁可和瑞克都活到八十歲,那麼在他們活著的時間裡,邁可大約會比瑞克多得到十億分之五十秒。

說句公道話,這點時差瑞克只要保養一下就可以解決了,而且也不可能輕輕鬆鬆就讓任何人回到未來。要回到未來,你需要物理學家所謂的「封閉類時曲線」(closed time-like curve)。

愛因斯坦的廣義相對論說,宇宙在由空間和時間組成的舞臺上演出它的故事,而我們在《星際效應》中學到,這個我們稱之為「時空」的舞臺必然是彎曲的。任何質量與能量都會扭曲時空,如果質量與能量夠集中,那樣的扭曲可能會變得非常極端。

這些在空間中的扭曲,正是造成行星沿著彎曲的彈道(也就是我們所謂的「軌道」)移動的原因。另一個有點難以理解的觀念是,時間也可以彎曲,這使得是事物旅行的時間狀態變得很奇怪。但事實上,只要你把時間彎曲得夠嚴重,就可以創造出一個迴圈,讓你不斷回到時間裡相同的時刻。這就是「封閉類時曲線」。

第一個計算出這個迴圈的,是奧地利數學家庫爾特.哥德爾(Kurt Gödel)。他在1949年寫了一份關於相對論的影響評論,並給愛因斯坦看他的計算結果。我們可以說,愛因斯坦不覺得這有什麼了不起的;他的反應是,受限於宇宙的所有物理限制,迴圈幾乎不可能有機會成真。

就某方面來說,愛因斯坦的懷疑態度是對的。哥德爾的計算基礎是一個旋轉、沒有擴張的宇宙,而就我們對於這個宇宙的所知,它既沒有旋轉,而且還在擴張。這代表哥德爾所謂自然發生的「封閉類時曲線」不會出現在我們的宇宙中。

然而,穿越時空的想法還是可能的。理論上來說,你可以自己創造一個封閉類時曲線,而且不需要通量電容器就能做到。廣義相對論告訴我們,只需要讓時空有夠劇烈的彎曲,就能創造時間裡的迴圈。一旦你做到這一點,你就能走在迴圈裡,隨意重返歷史上任何時刻。不管是哪個老博士,從布朗到布魯克斯(也就是本書作者之一)到愛因斯坦都會告訴你,創造出這樣一個迴圈需要高度集中的質量或能量,而我們有很多方法能製造出其中之一。目前為止都還可以吧?對,我們可以在時間中旅行。

此時可能需要暫停一下,對這些正面的說法提出警告:我們即進入將這個時光旅行物理學模型裡的「什麼?你需要什麼?」這部分。就像是「什麼?你需要一顆中子星?」或是「什麼?你需要假想的負能量源頭?」或是「什麼?你需要穿過時空的蟲洞,而且要定錨在前面講的中子星?」我們了解這些並不是一般情況下有「庫存」的品項,通常要特別訂購。不過呢,這並非完全不可能。我們的意思是這樣。

未命名
Photo Credit:方言文化
圖5-1 如何使用蟲洞穿越時間

好了,現在你的期望應該比較恰當了,讓我們進行到下一個問題:我們要怎麼製造時光機?

來自過去的衝擊

關於時光旅行,大家最疑惑的問題之一是,如果這真的可能,那從未來到現代的那些旅人在哪裡?這是一個好問題,也是2005年5月7日星期六晚上十點,有四百個人聚集在麻省理工學院的原因。這是一場名為「時空旅人大會」的活動,用意是聚集來自未來的旅客。

舉辦會議的基本理由意外地簡單。如果你辦這場聚會,並確保有留下紀錄,那麼在未來可以使用時光機的人就會找到紀錄。把那樣的人聚集在同一個時空位置,是多麼有趣的事啊!這場會議的注意事項,是要求時空旅人帶上他們來自未來的證據。「例如:愛滋病或是癌症的解藥,解決全球貧窮問題的方法,或是冷融合反應爐,都會特別具有說服力,也會使我們萬分感激」。主辦單位很可愛地向《回到未來》致敬,在現場安排了一輛迪羅倫車,因為說不定有未來的人看過並喜歡這部電影,或甚至受到啟發,真的做出了一臺時光機。

所以,他們是怎麼做到的?這麼多年來我們有了一些想法。為了符合電影的精神,我們按照時間順序來看。

關於製造時光機,最早的提議很簡單:一個非常長的圓柱體。聽起來不太難,對吧?可惜,這臺機器的發明者規定的這個非常長的圓柱體真的很長。喔,你想知道到底要多長?既然你誠心誠意地問了,答案是──無限長。對,聽起來是有點困難。

1976年,美國物理學家法蘭克.迪普勒(Frank Tipler)計算了愛因斯坦的公式,得出結論:一個非常非常重、無限長、並且以非常快的速度旋轉的圓柱體,將能使空間與時間彎曲達到極大,大到足以創造出封閉類時曲線的程度。我們還需要補充說明,目前還沒有人嘗試實現這個計畫嗎?

接下來是一個為理查.哥特三世(J. Richard Gott the Third)這個名字爭光的男人想出來的點子。哥特也是一位物理學家,他的點子實際多了,但依舊是不可能的任務。哥特的想法和宇宙弦(cosmic string)有關,這是一種假設性的物質,是密度超高的物質束,直徑不到原子核的寬度,有些宇宙論者認為它可能存在於宇宙的某處。如果它存在,那麼應該是在導致宇宙從大爆炸誕生的劇烈過程中才出現。

宇宙弦會提供一種天然的時光機。它們是空間中密度極高的缺陷,並排放置後又迅速分開,因而產生時間迴圈。你只需要沿著迴圈旅行,就能重新造訪歷史上的相同時刻。不用說,從來沒有人能接近任何宇宙弦,連邊都沾不上,所以這個方法看起來也不是全然可靠。現在該是把蟲洞搬出來的時候了。

這個美人兒是索恩的發明(對,《星際效應》那位)。在薩根的科幻小說《接觸未來》中,外星智慧生物傳遞訊息給人類,而索恩發明了蟲洞作為書中時光旅行的手段。蟲洞──基本上是快速穿越廣大宇宙的方法──提供了一個通道,讓人能造訪外星人的銀河間計畫,藉此更了解他們,堪稱終極版的校外教學。

索恩的想法是這樣的:你找到一個天然的通道穿越時空,叫做愛因斯坦──羅森橋(Einstein-Rosen bridge)。先不要提出質疑:它們可能真的存在。這個點子最早是由愛因斯坦和朋友奈瑟.羅森(Nathan Rosen)在1935年提出,主張兩個黑洞的核心可能是相連的。畢竟,既然空間和時間會在一般所知的「奇異點」,也就是黑洞核心處崩解,那麼誰知道所有奇異點沒有相連,各自通往時空中的不同區域呢?

如果你能隔離出相連的兩個黑洞,就得到了連接空間(或時間)裡兩個區域的「蟲洞」。不過,要找到一個起點在你所在的位置,終點在你想去的地方的蟲洞,顯然又是另外一項挑戰,但我們現在真的要講細節了。有一個論點是將它(以某種方法)定錨在一顆中子星,因為這裡有超級強烈的重力場,會使時間變慢。再將蟲洞另外一端的開口拉到盡可能近的位置,兩端就足以發展出一個時間差。等到時間差夠大,你就能走進一端,並從完全處於不同時間的另外一端出現。

但事實上根本沒這麼簡單。空間有點像有彈性的東西,而且被拉長的時候會有抵抗力,瀕臨斷裂的時候更是如此。所以,如果你把空間拉得長到足以製造出蟲洞,那麼你就要想辦法維持這個蟲洞開放。這時候,你需要物理學家所謂的「負能量」,一個不確定是否真的存在我們宇宙的東西。

不過除了這一點之外,好像都滿直截了當的,是嗎?可能值得一提的是,此刻並非所有的時光旅行方案都要扯上外太空,或者像旋轉一個無限長的圓柱體這種荒謬做法,還是什麼假設的宇宙弦這種莫名其妙的說法。羅恩.梅里特(Ronald Mallett)提議使用雷射。就在其他時光旅行提案都需要在宇宙規模用質量彎曲空間的同時,梅里特找出了在地球實驗室裡也許可行的方法。他甚至認為,我們在本世紀就能製作出成功的時光機。

梅里特想征服時光旅行的決心,起於他的父親因心臟病發辭世一事。只要改變生活型態,就可以預防父親過世,當時才十歲的梅里特認為,要是他能回到過去,他就能警告父親了。於是他開始閱讀威爾斯的《時光機器》一書,而且更努力上物理課。現在,他是康乃狄克大學廣義相對論的教授。光是憑藉動機就能讓人有如此成就。

梅里特非常投入於實現時光旅行,因此他從來不想理會那些無法在現實中執行的想法。現在,他已經研究出方法,如何製造出一個光環,能量強烈到足以彎曲周圍的空間與時間,形成一個圓圈。換句話說,他在雷射的路徑裡形成了封閉類時曲線。雖然目前的設計還不能把人放進他的時光機裡,但梅里特表示,這個時光機能將編碼在次原子粒子上的訊息傳送回過去。現年七十多歲的梅里特目前正在募資建造這個機器。希望他能盡快募到一些錢,因為好萊塢非常有興趣要把他的故事改編成暢銷作品。

我們忘了提麻省理工學院的時空旅人派對後來怎麼了,但有需要嗎?當然沒有出席者真的帶著他們來自未來的證據。不過呢,就如同在大會召開之前,喜劇演員蒂娜.費(Tina Fey)在電視節目《週六夜現場》(Saturday Night Live)所指出,來自未來的人一定早知道這場派對到底有不有趣。這代表這場派對一定爛透了,所以他們才不參加。不過等等,這不就永無止盡地循環了嗎?只有因為大家不參加,才會讓活動變得很爛;而大家不參加,正是因為活動很爛……到底是怎樣?就是這種讓人頭昏腦脹的推論,促使我們提出了第三個問題。時光旅行會引起各式各樣令人為難又困惑的悖論,所以米高.福克斯最後才會差點從他的全家福照片中消失──因為他干預了過去,所以他所有的存在紀錄都慢慢被抹滅。這是對的嗎?穿越時光真的會讓你從歷史上消失嗎?

《科幻電影的預言與真實》:今天來認真討論「時光機」這件事(下)

書籍介紹

《科幻電影的預言與真實:人類命運的科學想像、思辯與對話》,方言文化出版
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作者:瑞克.艾德華斯、邁可.布魯克斯
譯者:鍾沛君

「虛構推測」往往預言人類未來,無論悲劇或美好。

「我從小就覺得什麼都可能,科幻電影讓一切成真。」────史蒂芬.史匹柏(Steven Spielberg)

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Photo Credit:方言文化

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航

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