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科幻中时空旅行之物理学历史理论背景分析研究(中)

(2009-05-07 10:01:38)
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萨根

时空旅行

虫洞

星际迷航

翘曲飞行

文化

分类: 二化斋学术论文

载《851M:我们的科学文化》(1)
华东师大出版社,2007年

 

科幻中时空旅行之物理学历史理论背景分析研究(中)

 

穆蕴秋 江晓原

(上海交通大学科学史系,200030)

 

   

四、《接触》与虫洞理论

 

   《接触》(Contact,1995)是根据著名的天文学家和科学作家卡尔·萨根的同名小说拍摄成的一部电影,为了避免和很多科幻片一样,为追求艺术的精致而失去了科学的真实,萨根在拍摄过程中专门聘请了科学界的一些杰出人士,来组成影片的科学顾问班底,并为他们开出了一套有份量的科学参考读物,其中包括索恩的《黑洞与时间弯曲》和加来道雄的《超越时空》。[[28]]这在好莱坞科幻片制作史上并不多见。 

  这部影片的主要内容和萨根感兴趣的领域有关——探索地外文明,这个题材在科幻作品种通常都会涉及超空间旅行,因为超空间旅行是探索地外文明时到达其它星球的基本技术手段。《接触》中多处提及时间机器,相关的情节一波三折——第一次造出的那架价值300亿美元的时间机器曾毁于一位宗教狂热分子手中,直到影片最后,对SETI计划(Search for Extra-Terrestrial Intelligence,即“地外文明探索”)满怀热忱的女主人公才终于一遂心愿,通过时空旅行到达了织女星。为了体现其科学真实性,影片动用多组画面对时间机器和女主人公的时空旅行过程进行直接描述——在其它影片中,这样的情节通常都是稍带提及的。

  事实上,萨根在1985年创作《接触》原著时,就曾在时空旅行这个细节上颇费了一番心思。按照他一开始的构想,女主人公落进地球附近的一个黑洞,然后通过超空间旅行,1小时后出现在距离26光年外的织女星上。因为在当时,大多数科学家和非科学工作者都不知道黑洞中心的性质,所以许多大众文章和一些专业文献声称,你能够穿过黑洞的中心并且在宇宙的其它地方现身[[29]]。

  从爱因斯坦广义相对论中推导出时空旅行的可能性,似乎已被大多数人所认识到——很大程度上这得归功于科幻作品的传播效应,但事实上对其具体细节的认识则相当模糊和含混的。十年前——也就是1976年,英国培根基金会(Francis Bacon Foundation)还曾悬赏300英镑来专门征求一个相关问题的解:

  按照目前的理论,转动黑洞是通往其他时空区域的真实入口,那么一个飞行器怎样才能通过一个转动黑洞进入另一个时空区域,而不被奇点的引力摧毁?[[30]]

  当然,这个问题从未获得过圆满解决。萨根不是相对论专家,他对自己设置的利用黑洞作为时空旅行手段的技术细节并不是太有把握,为了寻找科学上能站住脚的依据,他向著名物理学家基辅·索恩(Kip S.Thorne)求助。尽管之前已有哥德尔等一些科学家从爱因斯坦场方程中得到允许时空旅行的解,但更多的物理学家则把时空旅行和科幻小说中的流行情节一样对待——差不多归入UFO一类,你可以兴意盎然地去阅读,但如果把它纳入物理学范畴来进行探讨,那无异于进行学术冒险——更为保守的物理学家则根本就把它看作无稽之谈。所以,当索恩欣然应允萨根的要求时,还真需要点特立独行的勇气才行。

  索恩和他的学生经过论证得出结论,进入黑洞的所有物体都会被强大的潮汐引力撕得粉碎,作为时空旅行手段这是不可跨越的障碍,并建议萨根在小说中,把黑洞改称“虫洞”。

  “虫洞”的性质很早就被发现了:1916年,爱因斯坦广义相对论发表后的几个月,史瓦西在爱因斯坦引力场方程里发现了一个解——著名的史瓦西解,同年,弗拉姆(Ludwig Flamm)对其数学推导过程进行重新诠释以后,揭示出它的虫洞本质——它事实上是描述了空的球形虫洞[[31]]。1935年,爱因斯坦和其学术助手罗森在一篇论文中[[32]],把连接宇宙中两个遥远区域之间的假想通道称为“桥”——后来这被称为爱因斯坦-罗森桥,其实也就是“虫洞”。

  萨根的小说中,地球距离织女星是26光年,但若通过一条虫洞连接它们的话,也许就才1公里。但是,以虫洞作为时间机器,也还面临一个棘手问题:按照爱因斯坦场方程的预言,虫洞在某个时刻产生,短暂地打开,然后关闭、消失——从产生到消失,时间极短,没有事物能在这么段的时间内从一个洞口穿过它到达另一个洞口。除了因为无法从自然界推导出虫洞的生成方式外——而黑洞则已被证明是恒星的坍塌结果,这也是物理学界长期对虫洞报以怀疑态度的另一个主要原因。索恩最终设想以具有“负能量密度”的奇异物作为保持虫洞持续开放的物质条件,并把实现条件设置在高级智慧生物无限先进的文明背景下。换言之,索恩在这个问题上考虑的主要是数理上的自洽性,而非现实可能性。

 

  索恩把这一系列和时空旅行相关的研究成果,以论文形式主要发表在顶级的物理学杂志《物理学评论》上。这样的杂志每年都会收到大量宣称制造出时间机器的文章,但从来没有一篇被接受发表过,因为它们没有建立在爱因斯坦场方程上的严密推导过程,而索恩的这些论文则很好的满足这一条件。所以,即便是像《虫洞、时间机器和弱能量条件》[[33]]这样的论文,尽管文章摘要让人感觉科幻味儿十足,“本文讨论的是,如果物理法则允许一个高级文明智慧生物在空间中制造和维持一个虫洞,那么这个虫洞将被改造成违背因果律的时间机器用于星际航行”,题目中也直接就有“时间机器”的字样,但最后还是被接受发表。而在此之前,为了避免引人注目并被冠以“科幻物理学家”的头衔,科学家们在参与时空旅行的相关讨论时,通常都把“时间机器”说成“类时闭合曲线”( closed time-like curve)。

  对那些有兴趣研究时空旅行的物理学家而言,索恩对时空旅行研究取得的进展无疑令人鼓舞。一些人在之后开始参与其中,他们中有俄籍物理学家诺维柯夫、普林斯顿大学的理查德·高特以及史蒂芬·霍金。不过,值得一提的是,很多物理学家还是一如既往拒绝讨论和时空旅行相关的任何问题。

  萨根也许未曾预料到,他当初的这一提问会在科学领域内打开这样的局面,引发物理学界对时空旅行新的关注。其中,维持虫洞持续开放的奇异物质的相关研究甚至成为该领域内的一个重要课题。而“(外)祖父佯谬”,也找到了新的解决途径:索恩和诺维柯夫相对于“平行宇宙”理论,提出了一套更为保守的方案。

  关于萨根对时空旅行研究的间接推进——尽管这已被他其它方面更为耀眼的成就所掩盖,索恩曾有过这样的评价:

  一本像《接触》这样的小说,在科学研究上促成一个重要的新方向,这很少见,也许真是绝无仅有的。[[34]]

  事实上,《接触》并非真的“绝无仅有”。

 

五、《星际迷航》与翘曲飞行理论

 

  《星际迷航》(Star Trek)讲述的是发生在二十三世纪以后,一组太空人员驾驶太空飞船“企业号”在银河系中进行探险的多系列故事。《星际迷航》初始系列[[35]]在一开始在1966年由美国NBC播出时,收视平平,乃至第三季播放还未结束,NBC即将其撤下。意想不到的是,停歇差不多二十年之后,随着第二系列《星际迷航:下一代》[[36]]在1987年的复活,该剧却在全美掀起热潮,编剧兼制作人吉恩·罗顿伯里(Gene Roddenberry)晚熟的天才终于得到承认。

  此后,《星际迷航》又连续出了三个系列[[37]],播放档期一直排到2005年,加上它早期的动画系列[[38]],《星际迷航》前后共出了六个系列。改编的电影也达十部之多,从1979年一直上映到2003年,简直史无前例。而它的电脑游戏自1974年开发以来,也一直在不断升级换代。《星际迷航》在全世界范围内培养了数目庞大的“迷航迷”。

在《星际迷航》一、二系列的每集开头(少数几集例外),一个画外音都会响起,“探测未知新世界,寻找新的生命形态和文明形式,勇敢探索那些人类之前从未到达的地方”,这是《星际迷航》中“企业号”在太空中的探险目的。很多幻想技术在这个过程被涉及,如翘曲飞行(Warp Drive)、虫洞、三维传输器、全息幻觉甲板等等,其中翘曲飞行(Warp Drive)是《星际迷航》里太空船进行超空间旅行的技术手段。

  由于“企业号”在银河系中的太空航程几乎都是光年量级的,剧情发展不容许它花费太多的时间在星际航行上,所以,打破光速壁垒进行超空间旅行就成为“企业号”必备的一项基本技能,根据《星际迷航》编剧别出心裁的想象,企业号通过翘曲飞行从出发点到达目的地时,它能使两地之间的空间发生卷曲并建立一条翘曲通道,以此来实现超光速旅行。在《星际迷航》的专门技术手册中能看到制作者为“企业号”翘曲飞行编写的基本公式,随着电视新系列的推出,企业号的升级换代,这个公式还被不断加入新的参数来进行修正和完善,尽管它从未直接在电视画面中出现过,但在“迷航迷”中却广为流传,从每一集中寻找与之不符的疏漏,也就成为“迷航迷”们乐此不疲的一项娱乐活动。

  翘曲飞行很容易让人联想到索恩为小说《接触》构想的虫洞理论。不过,虫洞作为时空旅行手段,毕竟是出自物理学家有理论依据的建议,一出来就倍受关注。而翘曲飞行理论则完全是幻想的结果,除了“迷航迷”们会认真对待它——这也是纯粹出于娱乐目的,很少会有物理学家对这个杜撰理论加以认真考虑的。

  1994年,英国威尔士大学(University of Wales, Cardiff)的一名博士生,马格尔·埃尔库比尔(Miguel Alcubierre),在《经典与量子引力》杂志上发表了一篇论文,对翘曲飞行进行了认真的讨论,这种情形开始有所改变[[39]]。在这篇论文中,埃尔库比尔并不讳言他的研究对象其实就是科幻中“翘曲飞行”的旧话重提,他认为,通过对太空飞船尾部的时空区域进行局部扩展,相对地就会在飞船前方形成一个压缩区域,这种情形下,飞船超光速旅行是可能的。埃尔库比尔的这个结论也是建立在对爱因斯坦场方程求解的基础上,并且,和索恩的虫洞理论一样,要让飞船前后部位的局部时空区域发生扭曲,也同样需要负能量密度的奇异物的支持。

  翘曲飞行在物理学上的解释与《星际迷航》中的原本构想已是迥然不同,现在一般也被称作“埃尔库比尔飞行(Alcubierre drive)”,它引发了关于时空旅行新的研究热潮[[40]],后来的讨论重点主要集中在翘曲飞行的能量条件——奇异物上。

  埃尔库比尔在1994年得出对翘曲飞行的研究成果时,也正是在索恩的虫洞理论在物理学界掀起时空旅行研究热潮之后,前者的讨论主要在《经典与量子引力》,后者则集中于《物理学评论》(见附录3),两份刊物都是物理学的顶级杂志。虫洞研究所带来的影响还波及《星际迷航》新系列的创作,在第三系列《星际迷航:第九外层空间》(DS9)中,罗顿伯里的新任接班人不仅对剧情进行大胆拓展改编,而且还引入了时髦的虫洞作为故事核心,该系列整个剧情都是围绕着在银河系中发现的一个虫洞所引发的冲突展开的。

  此外,“三维复制”( tractor beam)在《星际迷航》中也是进行时空旅行的另一种重要手段,这种设想在剧中曾频繁出现。为了不在细节上耗费太多时间,企业号被设想们设想为永远处于航行状态,从不着陆,编剧为此专门设想出三维传输器,如果飞船中的船员打算亲自探访其它星球,只需对着那装置说一声“将我发射出去”[[41]],就能实现。在《重返中世纪》(Timeline ,1999)的原著中,作者迈克尔·克莱顿让故事中的人物通过三维复制来让小说中的人物回到中世纪的,针对它书中还有详细的“科幻式”解释[[42]]。

  时空旅行中的另外两种类型——前往未来和回到过去,在《星际迷航》的故事系列中占了相当大的比重,据一位资深“迷航迷”的大略统计[[43]],在它的前两个系列中,就有至少不下22集是涉及时空旅行的。第三系列开始,《星际迷航》的创作由罗顿伯里的接班人继任,他们对时空旅行的兴趣依然非常浓厚。而在《星际迷航》所改编成的十部影片中,公认故事讲得最成功的《星舰迷航IV:抢救未来》(Star Trek IV: The Voyage Home 1986 ),也是一个和时空旅行有关的故事。

  值得一提的是,相对超空间旅行所达到的“超光速” ( Faster Than Light ,有时缩写为 FTL),在其它影片中,对“超光速”还有其它描述方式。如著名影片《超人 II 》中,超人以超光速飞行回到过去,重新对事件的发生进行干扰,挽救了女朋友的生命;在国产片《无极》中,也有通过超光速奔跑回到过去的时空旅行情节。不过,这里的超光速,与虫洞和翘曲飞行中的超光速,完全不是一个概念。前者指的是绝对速度大于光速,后两者则是改变空间物理结构、建立捷径缩短空间距离,让太空船在时间上“打败光速”航行。事实上,在物理学家针对时空旅行所进行的研究中,光速壁垒不能被打破是首先要被遵从的物理法则之一。

 

(未完待续:http://blog.sina.com.cn/s/blog_485f2bc80100dnjl.html

 

参考文献

 

[28] 凯伊·戴维森:《萨根传——展演科学的艺术家》,暴永宁 译,上海科技教育出版社,2003年, 622页 -623 页。

[29] 基普.S.索恩:《物理定律容许有星际航行蛀洞和时空旅行机器吗?》,《卡尔.萨根的宇宙》演讲集,上海科技教育出版社, p150。

[30] (法)约翰-皮尔·卢米涅:《黑洞》,卢炬甫 译,湖南科学技术出版社,2000年,164页。

[31] 基普.S.索恩:《物理定律容许有星际航行蛀洞和时空旅行机器吗?》,《卡尔.萨根的宇宙》演讲集,上海科技教育出版社,   p152 。

[32] Particle problem of in the general relativity,Physical Review,volume 48,  p73 (1935).

[33] Michael S. Morris, Kip S. Thorne, and Ulvi Yurtsever, Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition,  Phys. Rev. Lett. 61 ,pp 1446–1449 (1988)  [Issue 13 – 26 September 1988 ].

[34] 基普.S.索恩:《物理定律容许有星际航行蛀洞和时空旅行机器吗?》  p145

[35] Star Trek: The Original Series,缩写为ST:TOS或TOS,三季共79集,首映1966年9月-1969年2月。

[36]Star Trek: The Next Generation,缩写为ST:DS9或是 DS9,七季176集,首映1987年9月-1995年5月。

[37] Star Trek: Deep Space Nine ,缩写 ST:DS9或 DS9 ,七季共176集,首映日期1993年1月 –1999年6月 ;Star Trek: Voyager, 缩写 ST:VOY or VOY. 172集,首播日期: 1995年1月 –2001年5月, 172集; Star Trek: Enterprise,四季共98集,首映September 26, 2001 – May 13, 2005。

[38] Star Trek: The Animated Series,22集,首映 1973年9月 –1974年10月。

[39] Miguel Alcubierre, The Warp Drive: Hyper-Fast Travel Within General Relativity, Classical Quantum Gravity 11: pp73-77 ,(1994).

[40] 埃尔库比尔的文章发表后,到2002年,已有不少于十篇的相关论文对翘曲飞行作了进一步的讨论。其中主要参见:

S. V. Krasnikov, Hyperfast travel in general relativity ,Phys. Rev. D 57, pp4760–4766 (1998).这篇论文最早的形式是一篇演讲稿,稍后才正式发表。

Allen E Everett and Thomas A Roman, Superluminal subway: The Krasnikov tube,Phys. Rev. D 56, pp2100–2108 (1997).

Jose Natario, Warp Drive With Zero Expansion,Classical Quantum Gravity 19 :pp1157-1166 (2002)。

[41] “Beam me up, Scotty”,有意思的是,这句话其实在电视剧从未以这种组合方式直接出现过,但它美国家喻户晓。物理学家劳伦斯·克罗斯在他《星球旅行的奥秘》的前言中,说自己曾针对这句话作过随机调查,完了幽默地总结道:不知道这句话的人和不知道番茄酱的人一样多。此书已被中国对外翻译出版公司出版,2001年。

[42] 已由上海译文出版社出版,祁阿红等译 ,2000年,138页。

[43] 劳伦斯·克罗斯:《星球旅行的奥秘》, 董成茂 译,对外翻译公司, 2001年, 12页。

 

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